Биотехнологические принципы производства функциональных молочных продуктов с применением полисахаридов

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Биотехнологические принципы производства функциональных молочных продуктов с применением полисахаридов

Специальности: 05.18.04 ?Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств; 05.18.07 ? Биотехнология пищевых продуктов

Орлова Татьяна Александровна

Ставрополь - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научные консультанты: член-корреспондент РАСХН, доктор биологических наук, профессор Молочников Валерий Викторович

член-корреспондент РАСХН, доктор экономических наук, профессор Трухачев Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рябцева Светлана Андреевна

доктор технических наук, профессор Донченко Людмила Владимировна

доктор технических наук, профессор Полянский Константин Константинович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Московский государственный университет прикладной биотехнологии (МГУПБ)

Защита состоится 22 декабря 2009 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д. 212.245.05 при ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» по адресу: 355029 г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. 308 К.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО СевКавГТУ по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В. И. Шипулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Материальное производство определяется потребностью людей в том или ином продукте. Однако сама потребность и уровень ее осознания меняются в процессе жизни как у отдельного человека, так и у общества в целом. Состояние питания является одним из важнейших факторов, определяющих здоровье человека. Продукты питания должны удовлетворять потребности человека в основных питательных веществах и энергии, а также выполнять профилактические и лечебные функции. Именно на решение этих задач и направлена концепция государственной политики в области здорового питания в нашей стране.

В период структурной перестройки экономики, качественного ее изменения на основе научно-технического прогресса актуальной проблемой, стоящей перед страной, является создание устойчивой продовольственной базы. Все это в комплексе предопределяет необходимость изменения структуры производства продуктов на основе новых технологических циклов переработки пищевого сырья.

Немаловажным фактором в современных условиях является проблема все возрастающего дефицита пищевого белка и необходимость изыскания новых сырьевых источников и способов его получения в нативном виде.

Основная задача на данном этапе это создание ресурсосберегающих технологических процессов и новых молочных продуктов в плане полного использования молочного сырья.

Новые био и баромембранные процессы, исследованные В. Б. Толстогузовым, В. В. Молочниковым, А. А. Храмцовым, Л. В. Донченко, К. К. Полянским, Л. Я. Родионовой, О. А. Суюнчевым, Р. И. Раманаускасом, А. П. Чагаровским, И. А. Евдокимовым и другими позволяют перейти на ресурсосберегающие технологии переработки молочного сырья, а также получать новые функциональные продукты.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка биотехнологии фракционирования молочного сырья с применением полисахаридов для комплексного использования полученных фракций в производстве функциональных продуктов питания в замкнутом технологическом цикле.

Для достижения этой цели решали следующие основные задачи:

? изучение состояния коллоидно-дисперсной системы молока;

? изучение качественных показателей полисахаридов и обоснование их выбора для фракционирования молока;

? установление закономерностей и теоретическое объяснение процессов происходящих, при фракционировании молочного сырья полисахаридами;

? исследование влияния различных технологических факторов на биотехнологию фракционирования молочного сырья полисахаридами;

? изучение влияния технологических параметров на состав и свойства получаемых фракций молока;

? оценка качественных характеристик и функционально-технологических свойств продуктов фракционирования;

? медико-биологическая оценка фракций;

? разработка биотехнологических принципов взаимодействия фракций с пищевым сырьем;

? разработка биотехнологических принципов и технической документации на производство молочных продуктов в замкнутом технологическом цикле.

Научная концепция. В основу научной концепции, развиваемой в диссертационной работе положена гипотеза о том, что переработка молока в замкнутом технологическом цикле предполагает фракционирование молочного сырья с применением полисахаридов на фракции в жидком виде, каждая из которых и (или) их смесь (смеси) превращаются в готовый продукт без остатка. Жидкостная структура получаемых фракций, гомогенность их смесей и образование требуемой структуры готового продукта на заключительной стадии производства обеспечивают успешное решение этой задачи

Научная новизна работы:

? впервые теоретически обосновано и практически реализовано взаимодействие дисперсной системы молока с растворами полисахаридов;

? впервые изучены закономерности биотехнологии фракционирования молочного сырья полисахаридами в зависимости от технологических факторов;

? получены математические зависимости, адекватно описывающие изучаемые процессы;

?впервые изучены качественные характеристики получаемых фракций - концентрата натурального казеина (КНК) и сывороточно-полисахаридной фракции (СПФ);

? проведена комплексная оценка функциональных свойств КНК и СПФ, которая определила пути их дальнейшего использования в производстве пищевых продуктов;

? впервые проведены комплексные медико-биологические исследования КНК, СПФ и продуктов с их использованием, подтверждающие их более высокое качество по сравнению с традиционными продуктами;

? на основании медико-биологической оценки и выявленных функциональных свойств, предложены составы и комбинации компонентов в молочных и пищевых продуктах и их ассортимент.

Практическая значимость. На основе анализа и обобщения результатов, теоретических и экспериментальных исследований разработана технология переработки молока с полным использованием составных частей молочного сырья в замкнутом технологическом цикле для производства продукции «Био-Тон». Разработана техническая документация на производство комплекса молочных продуктов. По этой технологии выпущено около 40 тыс. т молочной продукции на предприятиях молочной промышленности, в цехах малой мощности, в сети предприятий общественного питания. Результаты исследований используют при проведении учебного процесса на кафедре технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции (ТП и ПСХП) СтГАУ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и опубликованы на конференциях, совещаниях, семинарах различного уровня, проходивших в России [32] и за рубежом [4].

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 65 печатных работах, в т. ч. в монографии, 2 обзорных информациях, 9 статьях в изданиях реферируемых ВАК, 3 изобретениях.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 276 страницах, содержит 53 таблицы, 57 рисунков,включает введение, 7 глав, выводы, список использованной литературы из 345 наименований и приложения.

Представленные в диссертации и публикациях результаты исследований получены лично автором или в соавторстве.

Основные положения, выносимые на защиту:

? концепция взаимодействия дисперсной системы молока с растворами полисахаридов;

? результаты экспериментальных исследований и анализ закономерностей фракционирования молочного сырья полисахаридами в зависимости от качественных характеристик полисахаридов, состава сырья и технологических факторов в поле гравитационных и центробежных сил;

? результаты изучения качественных характеристик и функционально-технологических свойств, пищевая и медико-биологическая оценка, полученных фракций (КНК и СПФ) и продуктов на их основе;

? биотехнологическая система переработки молока в замкнутом технологическом цикле «Био-Тон».

Автор выражает глубокую благодарность члену-корреспонденту Россельхозакадемии, доктору биологических наук, профессору Молочникову В. В. (СтГАУ), члену-корреспонденту Россельхозакадемии, доктору экономических наук, профессору Трухачеву В. И. (СтГАУ) за поддержку в постановке проблемы и научные консультации при выполнении работы, академику Россельхозакадемии доктору технических наук, профессору Храмцову А. Г. (СевКавГТУ) за поддержку проблемы; доктору технических наук, профессору Рябцевой С. А. (СевКавГТУ); доктору технических наук Храмцову А. А. , доктору технических наук, профессору Суюнчеву О. А. (СевКавГТУ); доктору технических наук, профессору Нестеренко П. Г. (ФГУП НИИКИМ); кандидату технических наук Анисимову С. В. (МКС «Ставропольский»); за внимание, консультативную и практическую помощь на отдельных этапах работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении Обоснована актуальность проблемы, дана общая характеристика и сформулирована цель диссертационной работы.

Глава 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследований

Рассмотрены и систематизированы данные о строении и свойствах казеинов и сывороточных белков. Дана характеристика коллоидно-дисперсной системы молока.

Приведена характеристика молочного сырья как объекта исследований для фракционирования полисахаридами.

Показаны современные подходы к получению растворимых белковых концентратов.

Определены виды полисахаридов для использования в биотехнологии фракционирования молока.

На основании анализа состояния проблемы определены научно-технические предпосылки и направления ее решения, сформулированы задачи собственных исследований.

Глава 2. Методика выполнения работы и методы исследований

Экспериментальную часть работы выполнена в лабораториях Всесоюзного НИИ комплексного использования молочного сырья (ВНИИКИМ) и на кафедре ТП и ПСХП СтГАУ . Работа выполнялась в рамках тематического плана ВНИИКИМ (позднее НИИКИМ), СтГАУ по государственной тематике, отраслевым планам, хозяйственным договорам и поисковым исследованиям в период с 1981?2008 г.

Часть исследований проводили в творческом сотрудничестве с ИНЭОС, НИИ Химии СГУ, СвердНИИХИММАШ, ВНИИХТ, МТИПП/ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов.

Отработка технологических параметров, производственные испытания, организация технологического процесса переработки молочного сырья с применением полисахаридов проводились на экспериментальном биотехнологическом заводе ВНИИКИМ и в промышленных условиях на предприятиях отрасли

Экспериментальную часть работы выполняли в подразделениях института на лабораторных установках и стендах - модулях, смонтированных на экспериментальном биотехнологическом заводе (ЭБТЗ) ВНИИКИМ.

Отработку технологических параметров, производственные испытания, организацию выпуска продукции проводили на базе ВНИИКИМ и предприятиях молочной отрасли (Раменском молкомбинате, молочном комбинате «Ставропольский», Новочеркасском ГМЗ, Малояраславском маслосырзаволе, молкомбинатах в г. Осиповичи, г. Брест, г. Вильнюс, г. Каунас и др. предприятиях).

Схема проведения исследований приведена на рисунке 1.

Объектами исследований служили: цельное и обезжиренное коровье молоко, полученные из них нормализованные смеси, полисахариды различных видов: пектин (яблочный, цитрусовый), Na-карбоксиметилцеллюлоза (Nа-КМЦ), микробные полисахариды; продукты фракционирования молочного сырья полисахаридами ? концентрат натурального казеина (КНК) в натуральном и сухом виде, сывороточно-полисахаридная фаза (СПФ) в натуральном и сгущенном виде.

Молочное сырье было получено в производственных условиях Ставропольского молочного комбината или фермерских хозяйств.

Фракционирование молочного сырья полисахаридами проводили в поле гравитационных и центробежных сил.

В качестве контрольных образцов были взяты казеин по Гаммерстену, ККФК, полученный ультрацентрифугированием, казеинат натрия и молочная сыворотка.

Рисунок 1 ? Схема проведения исследований

В работе использовали стандартные, опубликованные в специальной литературе методы. Для получения экспериментальных данных в процессе исследований проводили комплекс физико-химических, биохимических, функциональных и микробиологических исследований. Медико-биологические и микробиологические исследования изучаемых фракций (СПФ и КНК), продуктов с их использованием проводили параллельно с отработкой технологии их получения в соответствии с методиками, используемыми в медицинских центрах и клиниках: в.ч 64668 (Институт военной медицины), Институт питания АМН, Всесоюзный онкологический центр, Московская медицинская академия имени Сеченова, Ростовский медицинский институт, Ставропольский медицинский институт, Тюменский филиал института питания АМН.

При выполнении исследований широко использовали современные методы математического планирования. Обработку результатов исследований проводили с использованием пакетов прикладных программ: Fisher, MathCaD 12, MS Excel 2007, Statistica 6,0.

Глава 3. Изучение закономерностей фракционирования молочного сырья полисахаридами

Согласно современным представлениям устойчивость дисперсных систем определяется балансом сил притяжения и отталкивания, действующих между коллоидными частицами.

Один и тот же полимер, вводимый в биосистему может быть стабилизатором в зависимости от концентрации и условий введения и флокулянтом. Как правило, малые добавки ВМС приводят к дестабилизации агрегативной и седиметационной устойчивости дисперсных систем.

Биологические объекты представляют собой лиофильные системы. Для них характерно сильное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсной средой. Адсорбционные слои гидрофильных молекул обуславливают высокую агрегативную устойчивости биоколлоидов.

В последнее время обнаружена флокуляция, протекающая в условиях вытеснения макромолекул из пространства между сближающимися частицами (вытеснительная флокуляция). Такая флокуляция возникает, когда полимер не адсорбируется на поверхности частиц или на ней все адсорбционные центры уже заняты, когда взаимодействие макромолекул с растворителем предпочтительнее их взаимодействия с поверхностью. Эффективность флокуляции характеризуется по меньшей мере тремя параметрами - глубиной минимума на кривых выход ^_ концентрация полимера, минимальной концентрацией ВМС, вызывающей максимальную флокуляцию, протяженностью области дестабилизации. Хорошие флокулянты ? полисахариды должны обеспечивать максимальную степень выделения дисперсных частиц, минимальный расход полимера и достаточно большую протяженность области дестабилизации. Флокулирующее действие (ВМС) зависит от природы и количества добавленного полимера, его молекулярной массы и заряда, условий введения полимера в систему, содержания дисперсной фазы и электролитов.

Явление несовместимости белков и полисахаридов в водных средах положенное в основу фракционирования молочного сырья полисахаридами изложено в работах, проведенных в ИНЭОС АН СССР, отечественной и зарубежной литературе. Результаты исследований совместимости белков и полисахаридов различными авторами рассматриваются по-разному. Так, В. Б. Толстогузовым, Ю. А. Антоновым условия несовместимости были сформулированы как исключение возможности комплексообразования между белком и полисахаридом и усиление самоассоциации макромолекулярных компонентов системы.

Однако до сих пор недостаточно освещён вопрос природы этого явления. В. Б. Толстогузов, пионер исследований в России, называл происходящий процесс безмембранным обратным осмосом. В наших исследованиях мы больше склоняемся охарактеризовать его как фракционирование высокомолекулярных компонентов в результате вытеснительной флокуляции. Для описания данного явления также может быть использован термин биомембранное разделение, примененный А. А. Храмцовым. При этом раствор полисахарида рассматривается в качестве жидкой биомембраны, через которую происходит отделение казеин-кальций-фосфатного комплекса (ККФК), содержащегося в молоке, от сывороточной фракции, которая становится при этом сывороточно-полисахаридной.

Основные исследования были посвящены изучению взаимодействия молочного сырья с пектинами. Кроме того, были испытаны Na-КМЦ, альгинаты и микробные полисахариды. Схема фракционирования молочного сырья полисахаридами представлена на рисунке 2.

Рассмотренные пектины представляют собой полидисперсную систему частиц, которую можно характеризовать в общем случае влажностью, физико-химическими показателями, плотностью, углом естественного откоса, а также рядом других показателей. Основные характеристики пектинов отечественного и зарубежного производства даны в таблице 1.

Таблица 1 ^_ Основные характеристики пектинов

Показатели	Пектин ГОСТ 29186-91	Пектин Classic AM 201
Массовая доля влаги, %	10	6
Молекулярная масса	28000	30000
Степень этерификации, %	72	75
Насыпная плотность, кг/м3	320	510
Угол естественного откоса, град.	51	38
Растворимость, %	97,5	99,8
Активная кислотность,. рН	2,85±0,15	2,9±0,1
Средний размер частиц, мм	0,6	0,4
Массовая доля сухих веществ в водном растворе, %	6,5±0,3	6,5±0,2

Как видно из таблицы 1, по основным характеристикам выбранные отечественный и зарубежный пектины отличаются незначительно.

Важной характеристикой полисахаридов как флокулянтов молочного сырья является их взаимодействие с растворителем и ионными компонентами раствора.

Интенсивность процесса растворения и качество водного раствора пектина определяет комплекс гидродинамических, физико-химических и технологических показателей, на которые накладываются определённые ограничения. молочный полисахарид баромембранный

Наилучшим растворителем для пектина, как показали проведённые исследования, и технологические разработки является вода.

Изучено влияние температуры на физико-химическую и функциональную стабильность полисахарида и его раствора. Термическая стабильность полисахаридов зависит от температуры. Исследования показали, что при необходимости длительного (например, в течение часа) прогрева растворов это следует проводить при температурах не выше 60-70 єС.

В большей степени на процесс фракционирования влияют молекулярная масса и содержание полиуронидов в пектине при одинаковой степени этерификации (рис. 3, 4).

Рисунок 2 ? Схема фракционирования молочного сырья полисахаридами



Рисунок 3 ^_ Влияние концентрации пектина в смеси и его молекулярной массы на массовую долю белка в КНК

Рисунок 4 ^_ Влияние концентрации пектина в смеси и содержания в нем полиуронидов на массовую долю белка в КНК

Изменение молекулярной массы пектина в пределах 25,7-44,8 кД ведёт к смещению оптимальных концентраций пектина в смеси с 0,6 до 0,3 %. При разделении в поле центробежных сил массовая доля белка в КНК увеличивается на 3 %.

Увеличение содержания полиуронидов в пектине с 50 до 80 % приводит к снижению его оптимальной концентраци в смеси до 0,45 %.

Было изучено влияние массовой доли сухих веществ в растворе пектина на эффективность фракционирования смеси обезжиренное молоко ? раствор пектина. Изменение массовой доли сухих веществ в растворе от 5 до 6,5 % при изменении его молекулярной массы от 25,7 до 33,9 кД практически не оказывает влияния на массовую долю белка, как в СПФ (от 0.95 до 1 %), так и в концентрате натурального казеина (14,1 % и 14,3 %).

При использовании пектина со степенью этерификации 69-70%, содержанием полиуронидов 79-80% и молекулярной массой 25,7-33,9 кД, колебания массовой доли белка в КНК и СПФ незначительны (13,0-13,5 % для КНК и 0,87-0,92 % для СПФ). Была установлена зависимость между степенью этерификации и разделяющей способностью пектинов.

При степени этерификации 70-75% наблюдалась хорошая разделяемость, а на уровне 30-35% фракциогнирование не происходило.

При степени этерификации 55±5 % фракционирование обеспечивалось только в центробежном поле. В результате были сформулированы требования к пектинам для фракционирования молочного сырья:

· Степень этерификации 70-75 %

· Содержание полиуронидов 60-70 %

· Молекулярная масса 20-30 кД

· Студнеобразующая способность 150-300°ТБ

Выявлены закономерности биотехнологии фракционирования обезжиренного молока раствором пектина и концентрирование ККФК под влиянием ряда технологических факторов: х_{1 ?} концентрации пектина в системе ( С_п 0,35?0.95 %); х₂-?температуры тепловой обработки молока ( t_том 35?115 °С); х₃ - кислотности (12?24 °Т); х₄ - температуры разделения (t_р 1?41 °С). В основу фракционирования молочного сырья положены оптимальные сочетания технологических факторов, позволяющие в известных пределах регулировать и контролировать разделение смеси обезжиренного молока и пектина на две фазы и концентрирование казеинового комплекса в течение определённого времени, что обуславливает получение фракций (КНК и СПФ) с требуемыми свойствами и стабильными характеристиками.

Была проведена оптимизация процесса концентрирования казеинового комплекса молока по модели У₂ (массовая доля белка в КНК).

У₂ = -23,2798 +59,7720 х₁ + 0.24450 х₂ + 1,24163 х₃ + 0,20171 х₄ - 52,7410 х₁² - 0,00222 х₂² -0,04154 х₃² + 0,00189 х₄² +0,11917 х₁х₂ - 0,468331 х₁х₄ + 0,00254 х₃х_{4 (1)}

Поверхность отклика в плоскости Х1-Х3, характеризующее степень изменения массовой доли белка в КНК показано на рисунке 5.

Рисунок 5 ^_ Поверхность отклика для массовой доли сухих веществ в КНК в зависимости от массовой доли пектина, температуры тепловой обработки молока при t _р - 10 °С и кислотности молока ^_ 18 °Т

Оптимальные технологические параметры фракционирования смеси и получения КНК:

? массовая доля пектина в системе ^_ 0,55?0,65 %;

? температура тепловой обработки молока ^_ 72?75 °С;

? кислотность обезжиренного молока ^_ 17?18 °Т;

? температура разделения системы ^_ до 10 °С.

Функции отклика при оптимальных параметрах фракционирования смеси имеют следующие значения

? У₁ ? массовая доля белка в СПФ ^_ 0,85?1,00 %;

? У₂ ? массовая доля белка в КНК ^_ 12,5?13,5 %;

? У₃ ? выход КНК ^_ 15,5-14,5 %;

? У₄ ? фактор концентрирования ^_ 11,5?13,5;

? У₅ ? время разделения в поле гравитационных сил^_ 5400?3900 с.

Определенный интерес имеет изучение процесса фракционирования других видов молочного сырья.

Установлены закономерности фракционирования восстановленного обезжиренного молока, сгущенного обезжиренного молока, цельного и нормализованного молока (рис.6, 7).

Рисунок 6 - Характеристика продуктов фракционирования восстановленного обезжиренного молока



Рисунок 7 - Характеристика продуктов фракционирования сгущенного обезжиренного молока

Полученные данные подтверждают возможность фракционирования восстановленного и сгущенного обезжиренного молока пектином. При этом массовая доля пектина в смеси при фракционировании восстановленного молока снизилась до 0,35 %, а сгущенного молока до 0,45 %

В ходе экспериментов было установлено, что при разделении цельного молока в поле гравитационных сил жир полностью переходит в нижнюю фазу, а при центробежном разделении часть жира отделяется в виде третьей (верхней) фазы (рис. 8).

При этом соотношение массовой доли жира и белка в жирном КНК изменялось в зависимости от массовой доли жира в исходном молоке.

При использовании микробного полисахарида (Rhodigel-200) наилучший эффект разделения наблюдается при концентрации полисахарида в смеси в области от 0,2 до 0,35 %. Массовая доля белка при этом в КНК варьирует от 13,4 до 14,2 %, в СПФ. от 1,0 до 1,2 %.



Рисунок 8 - Характеристика продуктов фракционирования цельного молока

Для альгината натрия эффект разделения наблюдали при использовании его раствора с массовой долей сухих 12,2 % и концентрацией в смеси 0,65 %. Массовая доля сухих веществ в КНК составляла до 11,5 %, в том числе белка до 8,5 %, при этом в СПФ массовая доля белка достигала 1,2 %.

Результаты по фракционированию обезжиренного молока Na-КМЦ показали, что при повышении молекулярной массы Na-КМЦ уменьшается оптимальная концентрация полисахарида в смеси. Для фракционирования обезжиренного молока подходят образцы Na-КМЦ со степенью полимеризации в пределах 450-500. Оптимальная концентрация Na-КМЦ. составляет (0,35±0,05). Массовая доля белка при этом составляет в КНК -12,5 %, а в СПФ ? 0,9 %.

Глава 4. Разработка биотехнологии фракционирования молочного сырья полисахаридами

В главе изложены закономерности взаимного влияния основных технологических факторов на фракционирование молочного сырья полисахаридами в поле центробежных сил.

В соответствии с матрицей планирования экспериментов проведены исследования влияния молекулярной массы (Х₁), изменяющейся в пределах от 13,5 до 47 кД, массовой доли сухих веществ в растворе полисахарида (Х₂ ) от 2 до 8 %, массовой доли пектина в системе (Х₃) от 0,2 до 1 %, времени центрифугирования (Х₄) от 5 до 50 мин.

За функции отклика были приняты: массовая доля сухих веществ в КНК и СПФ, массовая доля белка в КНК в СПФ, выход КНК.

В результате исследований установлено, что изменение молекулярной массы пектина (Х₁) от 19,5 до 46,5 кД при одинаковой массовой доле сухих веществ в растворе пектина (Х₂ ? 6%), времени разделения смеси (Х₄ ?30 мин) и массовой доли пектина (Х₃ от 0,6 до 0,8 %) приводит к незначительному изменению массовой доли белка в СПФ (У₁ от 0,75 до 0,8 %).

При этом массовая доля сухих веществ в СПФ составляла (У₂ 6,5?6,7 %) (рис. 9, 10).

У₁= 6,6990 - 0,1642 х₁ + 0,0476 х₂ - 9,90952 х₃ +0,0117 х₄ + 0, 0012 х₁² - 0, 0054 х₂² +4,8302 х₃² -0, 0002 х₄² + 0.0011 х₁ х₂ + 0,1096 х₁ х₃ - 0,0001х₁ х₄ - 0,0281 х₂ х₃ + 0,003 х₂ х₄ - 0, 0054 х₃ х₄ (2)

У₂= 9,7259 - 0,1215 х₁ + 0,5702 х₂ - 8,3437 х₃ + 0,0043 х₄ + 0,0018 х₁² - 0,03302 х₂² + 3,1335 х₃² + 0,0004 х₄² - 0,0062 х₁ х₂ + 0,1005 х₁ х₃ - 0, 0011 х₁х₄ + 0,1203 х₂х₃ + 0,005 х₂ х₄ - 0,0119 х₃ х₄



Рисунок 9 ^_ Поверхность отклика для массовой доли белка в СПФ (У₁) в зависимости от массовой доли пектина в системе (х₃), сухих веществ в растворе пектина (х₂), при молекулярной массе 26,5 (х₁), времени центрифугирования 35 мин (х₄)

Рисунок 10 ^_ Поверхность отклика для массовой доли сухих веществ в СПФ (У₂) в зависимости от массовой доли пектина в системе (х₃), времени центрифугирования (х₄), при молекулярной массе 26,5 (х₁), массовой доли сухих веществ в растворе пектина 6 % (х₂)

Изменение массовой доли белка в КНК в большей степени зависит от изменения молекулярной массы пектина. При этом наблюдается смещение оптимальных значений массовой доли пектина в смеси: с 0,8 % до 0,4 % для пектинов с молекулярной массой 20 и 35 кД соответственно. Массовая доля белка в КНК (У₄) не менялась и составляла 15-16 % (рисунок 11).

У₄ = - 5,0895 + 0,5368 х₁ + 0,6174 х₂ + 35,8353 х₃ + 0,0316 х₄ - 0,0044 х₁² - 0,0446 х₂² - 21, 8347 х₃² - 0,0016 х₄² - 0, 0182 х₁ х₂ - 0,4298 х₁ х₃ +0,0021 х₁ х₄ + 0,2219 х₂ х₃ + 0,0068 х₂ х₄ + 0.04 х₃ х₄

Рисунок 11 ^_ Поверхность отклика для массовой доли белка в КНК (У₄) в зависимости от массовой доли пектина в системе (х₃), молекулярной массы (х₁), при времени центрифугирования 35 мин (х₄), массовой доли сухих веществ в растворе пектина 6 % (х₂).

Анализ экспериментальных данных показал также, что при изменении массовой доли сухих веществ в растворе пектина от 2 до 10 % при постоянной молекулярной массе пектина 25,5 кД и времени разделения 30 мин. Наилучший эффект разделения наблюдался при концентрации пектина в смеси 0,5?0,7 %.

Массовая доля белка при этом в КНК изменялось от 14 до 16 %. При этом массовая доля сухих веществ в КНК (У₅) увеличивается до 22,5?24 % (рис. 12).

У₅ = 11,1263 + 0,1111 х₁ - 0, 1143 х₂ + 36,9296 х₃ + 0, 0105 х₄ - 0, 007 х₁² + 0, 0340 х₂² - 32, 1362 х₃² - 0, 0025 х₄² - 0,0192 х₁ х₂ - 0,1784 х₁ х₃ + 0, 0036 х₁ х₄ + 0,2016 х₂х₃ + 0.009 х₂х₄ + 0,1327 х₃ х₄

Рисунок 12 ^_ Поверхность отклика для массовой доли сухих веществ в КНК в зависимости от массовой доли сухих веществ в растворе пектина (х₂), молекулярной массы (х₁), при времени центрифугирования 35 мин (х₄), массовой доли пектина в системе 0,6% (х₃).

Изучено влияние времени разделения на процесс фракционирования белков молока раствором пектина. При постоянном молекулярной массе 26,5 кД и массовой доле сухих веществ в растворе пектина 6 % было установлено, что при концентрации пектина в смеси 0,4; 0,6; 0,8 % стабильное разделение происходит в течение 30?45 мин с момента центрифугирования, при концентрации 0,2 и 1 % от 35 до 55 мин. Массовая доля белка в КНК при этом в первых образцах: 15?16,4 %, во вторых 12,2?13,7 %. При увеличении или уменьшении времени центрифугирования происходит уменьшение массовой доли белка в КНК и увеличение его концентрации в СПФ.

С использованием модуля по приготовлению растворов полисахаридов была установлена возможность приготовления растворов пектина с массовой долей сухих веществ в пределах 3?10 %.

Отмечено, что оптимальной является массовая доля сухих веществ в растворе пектина 5?7 % и концентрация пектина в смеси 0,5?0,65 %. При этом массовая доля белка в СПФ изменялось от 0,8 до 1,1 %, а массовая доля белка в КНК от 13,8 до 16,6 %.

Увеличение содержания полиуронидов от 50 до 80 % при одинаковой молекулярной массе пектина приводит к снижению концентрации пектина в смеси от 0,6 до 0,45 %, а также увеличению массовой доли белка в КНК с 12,5 до 13,8 % и снижению массовой доли белка в СПФ с 1,02 до 0,87 %.

Таким образом, важнейшим технологическими параметрами, определяющими процесс фракционирования являются: молекулярная масса пектина, полиуронидная составляющая, концентрация пектина в смеси, массовая доля сухих веществ в растворе пектина.

Анализ и обобщение полученных результатов фракционирования молочного сырья позволяет сделать заключение, что рассмотренные в качестве флокулянтов биополимеры ? пектины, Nа-КМЦ, полисахариды микробного происхождения, альгинаты пригодны для фракционирования обезжиренного молока. Наиболее перспективным является использование природных полисахаридов, в частности пектинов.

Широкий диапазон свойств пектинов позволяет подобрать оптимальные параметры биотехнологии фракционирования обезжиренного молока раствором полисахарида с учетом его минимального расхода, оценить функциональные свойства КНК и СПФ и дальнейшие направления их использования в производстве продуктов.

Установлены следующие требования к организации биотехнологии фракционирования молочного сырья полисахаридами.

1. Внесение полисахаридов в обезжиренное молоко в сухом виде нецелесообразно:

а) затруднено приготовление системы и ее отстаивание

б) при перемешивании происходит частичная гомогенизация белков обезжиренного молока, что приводит к уменьшению плотности осадка и меньшей концентрации белка в белковом концентрате

в) несколько увеличивается содержание белка в сывороточно-полисахаридной фазе. Объёмная доля СПФ уменьшается, массовая доля белка в ней 0,9-1,5 %, в КНК 4-9 %.

2. Необходимо внесение пектина в обезжиренное молоко в виде 5-7 % водного раствора.

а) возможно быстрое приготовление системы с использованием специального оборудования или обычной мешалки

б) концентрирование казеинового комплекса происходит быстрее. Концентрат натурального казеина более плотный. По объёму белковый концентрат составляет до 15 % от объёма приготовленной системы

в) сывороточно-полисахаридная фаза занимает до 85 % от общего объёма системы.

3. Кислотность обезжиренного молока должна быть 16?18 °Т.

4. Свежеприготовленный КНК можно подвергать тепловой обработке при температуре 65?100 °С.

5. Сывороточно-полисахаридную фазу можно сгущать при температуре 45?60 °С и далее сушить (лучше в смеси с обезжиренным молоком).

6. Возможно использовать сгущенную СПФ (КСП) для фракционирования молока. В верхней фазе увеличивается массовая доля белка в соответствии с кратностью использования полисахарида.

На основании проведённых исследований путем оптимизации процесса была получена математическая модель процесса фракционирования молочного сырья (в условиях разделения в поле гравитационных и центробежных сил).

При использовании молочного сырья с определённым содержанием жира, возможно получение белково-жирового концентрата натурального казеина в жидком виде из цельного или нормализованного молока.

При повторном использовании пектина для фракционирования молока в виде КСП полученный КНК имеет следующий состав: массовая доля сухих веществ 23?25 %, белка 15?17 %, лактозы 5?6 %, минеральных веществ 2,0?2,3 %. В СПФ массовая доля сухих веществ составляла 10?12 %, белка 1,2?1,5 %, лактозы 7?8 %.

Проводили исследования обратимости осаждения казеинового комплекса из водного раствора. КНК, полученный переосаждением, имеет следующий состав: массовая доля сухих веществ 12?18 %, белка 9?17%, лактозы 0,5?1 %, минеральных веществ 0,7?1 %. В водной фазе массовая доля сухих веществ составляла 1,5 %, белка 0,5 %, лактозы 1 %.

Решая вопросы получения белковых концентратов специального назначения, можно получить казеин с минимальным содержанием лактозы и минеральных веществ.

Операторная модель фракционирования молочного сырья раствором полисахарида представлена на рисунке 13.

Таким образом, основные преимущества фракционирования молочного сырья полисахаридами по сравнению с традиционными методами:

1. Высокий выход, полное использование белков на пищевые цели.

2. Исключение денатурирующих изменений в системе.

3. Низкие энергетические затраты.

4. Сохранение высоких биологических и функциональных свойств, получаемых фракций.

5. Обратимость процесса концентрирования макромолекулярных компонентов (белков и полисахаридов) и возможность регулирования получения продуктов с заданными физико-химическим составом и функциональными свойствами уже на стадии фракционирования биополимеров.

6. Высокая чистота, получаемых фракций (нет сопутствующих неорганических компонентов и др. веществ).

Рисунок 13 - Операторная модель фракционирования молочного сырья раствором полисахарида

Глава 5. Изучение качественных характеристик продуктов фракционирования молочного сырья

Методом электрофореза был исследован фракционный состав СПФ и КНК, полученных при разделении обезжиренного молока пектинами различного происхождения, Na-КМЦ, альгинатом натрия и микробными полисахаридами (Rhodigel-200).

Анализ электрофореграмм показал, что во всех случаях в состав СПФ входят следующие белки:, сывороточный альбумин крови, б-лактоальбумин, в-лактоглобулин и в-казеин. КНК, полученный в результате фракционирования, так же имеет одинаковый фракционный состав и представлен казеинами: б_s, в, к. Таким образом, использование разных полисахаридов не влияет на состав продуктов фракционирования молока. КНК содержит до 70 % белка, а 30 % составляют компоненты сывороточно - полисахаридной фракции (СПФ).

При таком соотношении казеиновый комплекс сохраняет свои нативные свойства.

Сравнительная характеристика продуктов фракционирования обезжиренного молока ультрацентрифугированием, ультрафильтрацией [6] и раствором пектина представлена в таблице 2.

Таблица 2 ^_ Характеристика продуктов фракционирования обезжиренного молока при ультрацентрифугировании, ультрафильтрации и применении пектина

Показатели	Обезжиренное молоко	Ультра фильтрация	Ультра центрифугирование	Фракционирование пектином
		Концентрат	Ультра-фильтрат	ККФК	Фугат	КНК	СПФ
Массовая доля сухих веществ, %	9,12	18,83	5,76	19,0	5,78	19,50	6,80
Вт.ч. белка, %	3,09	11,00	0,31	11,0	0,69	13,50	0,90
Казеина, %	2,51	9,66	-	9,82	0,1	13,20	0,05
Сывороточных белков, %	0,40	1,12	0,14	0,99	0,20	0,20	0,850
Небелкового азота, %	0,18	0,22	0,17	0,19	0,19	0,10	0,1
Лактозы, %	4,80	4,92	4,78	4,43	5,08	3,70	4,70

Как видно из таблицы, при определенных режимах различными способами можно получить растворимые концентраты белков практически идентичные по составу.

Однако эти способы принципиально отличаются самим подходом. В одном случае это выделение белкового концентрата, в другом? разделение сырья с образованием двух биологически и технологически полноценных компонентов.

Промышленное производство концентратов белка ультрафильтрацией и ультрацентрифугированием требует значительных энергетических затрат и дополнительных мероприятий по поддержанию санитарных показателей.

Разделение молока с применением полисахаридов может быть организовано с минимальными затратами энергии с использованием традиционного технологического оборудования.

Возможности применения молочно-белковых концентратов в различных отраслях пищевой промышленности зависят, прежде всего, от их функционально-технологических свойств. Растворимость - функциональное свойство белковых концентратов, определяющее потенциальные возможности их использования.

Концентрат натурального казеина представляет собой раствор ККФК, находящийся в растворимом коллоидно-дисперсном состоянии. КНК представляет собой основу для производства творога, творожных изделий и сыроподобных продуктов. Он также может быть использован для корректировки белкового состава широкого класса продуктов массового и функционального питания.

Рисунок 14 ^_ Растворимость СПФ, %

Растворимость сывороточно-полисахаридной фазы представлена на рисунке 14. Растворимость сывороточно-полисахаридной фракции изменяется в широком диапазоне рН. Максимальная растворимость соответствует концентрату с величиной рН 6,5.

В области значений рН 6,5-8,5 растворимость СПФ аналогична УФ СБК. Наименьшая растворимость СПФ наблюдается при рН 2,5-3,5, что обусловлено присутствием пектина в фазе.

Пены образованные СПФ и ее концентриротом КСП характеризуются высокой плотностью и повышенной стойкостью к расслоению ввиду большей влагоудерживающей способности комплекса сывороточных белков и полисахаридов в концентрате по сравнению с яичным белком и сывороточным белком (табл. 3, 4).

Таблица 3 ^_ Пенообразующие свойства КСП и яичного белка

Показатели	КСП	Яичный белок
Плотность, кг/м3	380	280
Кол-во отстоявшейся фазы через 2 часа, %	1,7	24,0
Кол-во отстоявшейся фазы через 24 часа, %	58,6	61,1

Стойкость пены сывороточно-полисахаридной фракции почти на порядок выше аналогичного показателя других видов нежирного молочного сырья, хотя кратность пены выше незначительно (табл. 4).

Таблица 4 ^_ Пенообразующие свойства нежирного молочного сырья

Функциональные свойства	Сывороточно-полисахаридная фаза	Молочная сыворотка	Обезжиренное молоко
Кратность пены, %	218	176	185
Плотность пены, кг/м3	380	310	460
Стойкость пены через 24 часа, %	46,5	6,4	7,8

Высокие функциональные свойства СПФ и КСП (табл. 5), которые заключаются в хорошей растворимости в широком диапазоне массовой доли сухих веществ, температурной устойчивости при низких значениях рН, стабильности эмульгирующих и желирующих свойств, предоставили широкие возможности для создания на их основе различных структурированных продуктов.

Таблица 5 ^_ Функциональные характеристики КСП

Пенообразующие	Студнеобразующие	Эмульгирующие
Плотность пены, кг/м3	Стойкость пены, %	Прочность по Валента, кг	Прочность по Тарр-Бейкеру, °ТБ	Стабильность эмульсии, %	Эмульгирующая емкость, см3/г
360 _ 400	112,5_11,7	0,3 _ 0,45	220 _ 250	40 _ 75	65 _ 70

Сывороточно-полисахаридная фаза является принципиально новым видом молочного сырья. В первом приближении (без учёта пектина) её можно представить как аналог молочной сыворотки. Однако наличие в сывороточно-полисахаридной фазе пектина придаёт ей целый комплекс новых свойств, либо полностью отсутствующих, либо слабо выраженных в традиционных молочных продуктах.

Особенно сильно выражены в сывороточно-полисахаридной фазе структурирующие свойства - пенообразующая, желирующая и стабилизирующая способности.

Глава 6. Пищевая, медико-биологическая ценность продуктов фракционирования и направления их использования

6.1 Состав, свойства, пищевая и медико-биологическая ценность КНК

КНК ^_ концентрат казеин-кальций-фосфатного комплекса молока в биологически активной форме содержит необходимые человеку незаменимые аминокислоты в оптимальном соотношении. В нем сконцентрирован в 5-7 раз казеиновый комплекс молока, не изменяя своего растворимого коллоидно-дисперсионного состояния.

Степень перехода казеина из обезжиренного молока достигается 96-98%. Массовая доля сухих веществ в концентрате составляет 17-23 % , причем увеличение массовой доли сухих веществ в концентрате происходит в основном за счет концентрации белков. КНК содержит до 70 % высококачественного молочного белка с сохраненной нативной структурой, до 20 % углеводов, 7-8 % минеральных веществ, 1-2 % жиров и ряд биологически активных веществ молока.

При необходимости хранения КНК в жидком виде режимы тепловой обработки должны с одной стороны, обеспечить бактериальную стабильность концентрата, а с другой - и максимально сохранить пищевую и биологическую его ценность.

Высокие значения титруемой кислотности в концентрате натурального казеина 50 °Т обусловлено присутствием сконцентрированного белка и минеральных солей. Увеличение относительной доли белков, углеводов и минеральных веществ в концентрате соответственно повышает его плотность по сравнению с обезжиренным молоком до 1060 кг/м³ .

По технологическим характеристикам концентрат натурального казеина подобен казеинату натрия и может его заменять в производстве традиционных пищевых продуктов. Однако биологическая ценность КНК как натурального продукта значительно выше.

Известно, что биологическая ценность пищевых продуктов определяется уровнем содержания и сбалансированностью аминокислотного состава. Более точное и объективное представление о биологической ценности белка можно составить на основе расчета аминокислотного скора , данные которого приведены в таблице 6.

Таблица 6 ? Аминокислотный скор (относительно шкалы ФАО/ВОЗ) КНК и некоторых белков, %

Аминокислоты	Шкала ФАО/ВОЗ	КНК	Казеин	Казеинат натрия	Молоко коровье
Валин	1,00	1,16	1,32	1,18	1,28
Изолейцин	1,00	1,20	1,30	1,10	1,18
Лейцин	1,00	1,41	1,47	1,11	1,36
Лизин	1,00	1,63	1,45	1,09	1,42
Метионин+ Цистин	1,00	0,94	0,78	0,80	0,94
Фенилаланин+Тирозин	1,00	1,48	1,78	1,63
Треонин	1,00	1,08	1,15	1,05	1,10
Триптофан	1,00	1,20	1,70	1,20	1,40
Сумма незаменимых аминокислот	47,20	42,10	47,40	49,90	360

Анализируя данные таблицы, следует отметить, что для КНК скор серусодежащих аминокислот составляет 94 %, что выше контрольных казеина и казеината натрия на 17 и 14,9 % соответственно. Кроме того КНК содержит изолейцина, лейцина и лизина больше, чем контрольный казеинат натрия. Таким образом, КНК имеет более высокие показатели по содержанию незаменимых аминокислот.

Концентрат натурального казеина (КНК), торговая марка «Биопротеин» прошел широкую медико-биологическую оценку и клиническую апробацию. Медико-биологическая оценка и клиническая апробация КНК были проведены в 1-ом ММИ им. И.М. Сеченова, Всесоюзном ожоговом центре Института хирургии им. А.В.Вишневского, Институте питания РАМН, Ставропольском государственном медицинском институте, Всесоюзном онкологическом научном центре РАМН, в.ч 64668.

Исследователей заинтересовало, во-первых, высокое биологическое качество КНК, содержащего до 70 % белка, который по биологической ценности выше, чем казеин, полученный методом кислотного осаждения.

Во - вторых, преимуществом КНК является высокое содержание кальция, калия, магния, железа. При этом соотношение фосфор/кальций меньше 1,0, что выгодно отличает эти продукты от других продуктов - источников белка.

В третьих, концентрат из обезжиренного сырья практически не содержит жира, что делает его устойчивыми при хранении, и при его потреблении не увеличивается потребление жира, как это происходит при потреблении большинства молочных продуктов.

КНК технологичен и структурно совместим с любым пищевым сырьем, что дает возможность использовать его в качестве обогатителя пищевых продуктов и продуктов диетического и лечебно-профилактического назначения. Кроме вышеизложенных пищевых свойств, свидетельствующих о возможности использования КНК в лечебно-профилактическом питании, имеются прямые экспериментальные и клинические доказательства лечебно-профилактического эффекта КНК при воздействии вредных химических веществ и радионуклидов.

На основании полученных данных по медико-биологической оценке коллективов ведущих медицинских институтов страны КНК рекомендуют использовать:

В пищевой промышленности

1. В качестве основы обогатителя продукции при производстве диетических и специальных лечебных продуктов.

2. При производстве комбинированных мясопродуктов в количестве 25-30 % в замен мясного белка.

При подготовке спортсменов

Для повышения работоспособности спортсменов в процессе их тренировки с учетом их спортивной специализации.

В питании юных спортсменов, учитывая особую потребность растущего организма в пластическом и энергетическом обеспечении.

После стресса, вызываемого тяжелыми мышечными нагрузками и сопровождающего их психоэмоционального возбуждения .

Для восстановления водно-солевого баланса организма.

В лечебно-профилактическом питании.

Для восполнения дефицита железа, цинка в организме при анемиях, нарушениях в деятельности центральной нервной системы.

Для профилактики атеросклероза.

При работах, связанных с токсическими материалами.

Весьма ценным является снижение под влиянием КНК уровня холестерина и триглицеридов в сыворотке крови, что является благоприятным фактором в профилактике атерогенеза, индуцируемого при воздействии некоторых вредных химических факторов.

Совокупность данных о технологии получения, химическом составе, пищевой и биологической ценности концентрата натурального казеина (торговая марка «Биопротеин») позволили Институту питания РАМН рекомендовать использование его в лечебно-профилактическом питании при воздействии вредных химических веществ.

Продукты, обогащенные КНК, под торговой маркой «Биопротеин», могут быть рекомендованы взамен цельного молока при работах с вредными химическими промышленными веществами при условии замены эквивалентной по пищевой ценности.

Институт питания РАМН, рекомендовал использование «Биопротеина» не только для получения продуктов лечебно-профилактического (функционального) питания, но и для разработки новых продуктов диетического питания, а также продуктов для питания детей в возрасте старше 3 лет. На основе «Биопротеина» рекомендуют создавать продукты для организованного питания школьников.

Целесообразно использование КНК и «Биопротеина» в производстве, обогащенных белком молока, низкожирной сметаны, йогуртов, творога. творожной массы и других продуктов по технолоии «Био-Тон» в соответствии с технической документацией.

6.2 Состав и медико-биологическая оценка сывороточно-полисахаридной фракции (СПФ)

Для использования сывороточно-полисахаридной фракции (СПФ). как пищевого ингредиента необходимо было выяснить ее пищевую и медико-биологическую значимостью Небольшая кислотность (13-15єТ), жидкостная структура и наличие в ее составе хорошего структурообразователя (белково-полисахаридного комплекса) давало основание считать ее использование в технологическом цикле производства молочной продукции положительным принципом.

СПФ содержит белково-пектиновый комплекс, лактозу, минеральные вещества в следующем соотношении основных компонентов, %:

Белково-пектиновый комплекс - 21-26;

Лактоза - 60-64;

Минеральные вещества - 8-10.

СПФ богата макро- и микроэлементами. В ней присутствует калий, магний, железо, цинк, медь. Отличается высоким содержанием кальция -725 мг/100г.

СПФ в натуральном, сгущенном, сухом виде, содержит все кампоненты молока, кроме казеина и жира, обладает согласно медико-биологической оценке специфической активностью, повышающей устойчивость организма к вредным воздействиям окружающей среды и дает возможность смягчить отрицательное влияние временных физических и эмоциональных перегрузок на человека.