Комплексная переработка творожной сыворотки с применением биополимеров
На правах рукописи
ТЮЛЬПИНА ОЛЬГА ВАДИМОВНА
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ТВОРОЖНОЙ СЫВОРОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОПОЛИМЕРОВ
05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и
холодильных производств
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Калининград – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КГТУ»).
Научный руководитель доктор технических наук, профессор,
почетный работник высшего образования РФ
Мезенова Ольга Яковлевна
Официальные оппоненты:
Андреев Михаил Павлович - доктор технических наук, старший
научный сотрудник, заслуженный работник рыбной промышленности РФ,
ФГУП «АтлантНИРО», заместитель директора
Квасницкая Александра Александровна - кандидат технических наук, доцент, Калининградский филиал АНО ВПО Центросоюза РФ «Российский университет кооперации», доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и
оптики»
Защита состоится 14.12.2012 г. в 1400 ч. на заседании диссертационного
совета Д 307.007.01, на базе ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», по адресу:
236022, г. Калининград, Советский проспект, 1, конференцзал (ауд. 255).
Факс: 8 (4012) 91-68-46
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».
Автореферат разослан 11.2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Великанов Николай Леонидович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Творожная сыворотка, в больших количествах накапливающаяся на молокоперерабатывающих предприятиях России, является источником ценных химических веществ – сывороточных белков, лактозы, водорастворимых витаминов, минеральных веществ и др. К сожалению, как побочный продукт творожного производства, она из-за своей высокой кислотности и нестойкости в хранении практически не используется в пищевых целях. Некоторое её количество высушивается, направляется на корм животных, но большая часть сливается в сточные воды. Зарубежный опыт свидетельствует о целесообразности применения физических методов обработки сыворотки - ультрафильтрации, обратного осмоса, электродиализа и др. Однако данные методы рентабельны лишь при ее централизованном сборе или крупномасштабном производстве, при этом требуется дорогостоящее оборудование.
В условиях Калининградской области, где развита система небольших молокозаводов, данный опыт не представляется перспективным. Сегодня актуальна задача разработки доступного способа переработки небольших объемов творожной сыворотки с целью использования ее биопотенциала в технологии ценных функциональных продуктов. При создании таких продуктов перспективным является применение биологически активных полимеров-полисахаридов – хитозана и пектина, достоинствами которых являются их высокие физиологическая активность и технологические показатели. Вопросами применения хитозана и пектина в пище-вых системах занимались А.И. Албулов, Т.М. Бойцова, В.М. Быкова, В.П. Варла-мов, Л.В. Донченко, М.С. Дудкин, Л.Г. Ипатова, Г.Н. Ким, В.Ю. Новиков, С.Н. Максимова, Г.В. Маслова, О.Я. Мезенова, Е.Э. Куприна, С.В. Немцев, Т.М. Сафронова, Н.К. Черно, E. Agullo, L. Albertengo, A. Muzzarelli и другие.
Представляет интерес способ комплексной переработки творожной сыворотки, предусматривающий предварительное внесение в нее хитозана и пектина. Высокоэтерифицированный пектин, добавленный в сыворотку, сгущает ее, что позволяет улучшить консистенцию в технологии сывороточных напитков [Храмцов, 2004]. Внесение хитозана, в зависимости от вида, может способствовать образованию геля, либо, в виду высокой сорбционной способности, осаждению взвешенных частиц, осветлению сыворотки [Алиева, 2003]. Однако совместное использование данных биополимеров, известных своей электросовместимостью, в практике переработки творожной сыворотки на функциональные продукты еще не применялось.
Вклад в создание научных основ и практической технологии переработки молочной сыворотки внесли многие отечественные и зарубежные ученые: Л.Р. Алиева, С.В. Василисин, Н.И. Дунченко, И.А. Евдокимов, Л.А. Забодалова, Э.Ф. Кравченко, Н.Н. Липатов, Т.А. Орлова, П.Г. Нестеренко, Н.А. Тихомирова, А.Г. Храмцов, U. Kulozik, A. Syrbe, A. Tolkach, J. Toro-Sierra и другие.
Однако остаются не исследованными фундаментально-прикладные аспекты совместного поведения полисахаридов различной заряженности в системе творожной сыворотки, знание которых позволит научно обосновать технологии новых функциональных продуктов на основе ее фракций.
С учётом сказанного представляется перспективным проектирование функциональных напитков, пищевой добавки и обогащенных творожных продуктов на основе осветленной и осадочной фракций сыворотки с применением биополимеров и ягод облепихи и черноплодной рябины, обладающих ценным химическим составом и широко произрастающих в Калининградской области.
Целью диссертационной работы являлась разработка технологии комплексной переработки творожной сыворотки путем ее фракционирования пектином и хитозаном с последующим использованием полученных фракций в производстве функциональных продуктов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- обосновать вид и способ введения хитозана, используемого в комплексе с пектином, для эффективного разделения творожной сыворотки;
- изучить влияние основных факторов на процессы, происходящие при разделении творожной сыворотки на осветленную лактозо-минеральную и осадочную белково-углеводную фракции;
- провести моделирование и оптимизацию процесса фракционирования творожной сыворотки полисахаридами;
- оценить качественные характеристики продуктов фракционирования творожной сыворотки;
- разработать технологию сокосодержащих функциональных напитков на основе осветленной лактозо-минеральной фракции сыворотки;
- получить на основе осадочной белково-углеводной фракции сыворотки пищевую добавку и обосновать ее обогащающий эффект в технологии функциональных творожных продуктов;
- предложить схему комплексной переработки молока, усовершенствованную в части переработки творожной сыворотки;
- провести производственную проверку экспериментальной разработки;
- подготовить нормативную документацию на новые технологические процессы и готовые продукты;
- провести оценку эффективности разработанной технологии.
Научная новизна работы. Научно обоснованы фундаментально-прикладные основы технологии фракционирования творожной сыворотки комплексом высокоэтерифицированного пектина и высокомолекулярного хитозана, позволяющие изготавливать с применением полученных фракций новые функциональные гастрономически привлекательные продукты. Исследовано влияние различных видов хитозана на эффективность осаждения сухих веществ творожной сыворотки. Изучены основные зависимости процесса разделения творожной сыворотки на осветленную лактозо-минеральную и осадочную белково-углеводную фракции при варьировании температуры, кислотности сыворотки, продолжительности экспозиции биополимеров. Получены математические модели процесса фракционирования, адекватно связывающие качество целевых продуктов с дозировками биополимеров. Исследовано качество лактозо-минеральной и белково-углеводной фракций сыворотки, показатели которого свидетельствуют об их высоком биопотенциале. Обоснованы рецептуры, пищевая ценность, повышенная хранимоспособность функциональных сокосодержащих напитков на основе осветленной фракции сыворотки, пищевой добавки на основе белково-углеводной фракции и обогащенных ею функциональных творожных продуктов, комплексно использующих ценные компоненты ягод облепихи и черноплодной рябины. Новизна технологического решения подтверждена патентом РФ 2432768 «Способ приготовления функционального напитка на основе молочной сыворотки».
Практическая значимость работы. Разработан эффективный способ комплексной переработки творожной сыворотки, основанный на её фракционировании пектином и хитозаном и последующем использовании полученных фракций в технологии новых функциональных продуктов. Установлены сроки годности и рекомендации по применению разработанных изделий.
Действенность экспериментальной технологии доказана её положительной апробацией в производственных условиях ОАО «Кировский сырзавод» (Калининградская обл., п. Тургенево). На новые функциональные продукты разработана нормативная документация (проекты): ТУ 9229-001-48752993-2012 и ТИ по производству напитков «МолоХит» на основе осветлённой фракции сыворотки с добавлением черноплодно-рябинового и облепихового соков; ТУ 9229-003-48752993-2012 и ТИ на изготовление пищевой добавки «Пектохитомол» на основе осадочной фракции; ТУ 9229-003-48752993-2012 и ТИ на изготовление функциональных творожных продуктов, обогащенных добавкой «Пектохитомол» и ягодным жомом.
Показана экономическая эффективность внедрения комплексной переработки творожной сыворотки с применением пектина и хитозана.
Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки специалистов пищевого профиля в Калининградском морском рыбопромышленном колледже (ФГБОУ ВПО «БГАРФ») и ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет».
Основные положения, выносимые на защиту:
- способ фракционирования творожной сыворотки комплексом биополимеров пектина и хитозана;
- рецептурные композиции в технологии функциональных напитков «МолоХит» на основе осветленной лактозо-минеральной фракции сыворотки с добавлением натуральных соков;
- рецептурные композиции функциональных творожных продуктов, обогащенных пищевой добавкой «Пектохитомол» и ягодным жомом;
- комплексная схема безотходной переработки творожной сыворотки.
Личное участие автора в 2006-2012 гг. состоит в разработке схемы исследования, выполнении экспериментов, участии в лабораторных опытах, анализе полученных данных, изложении результатов исследования.
Апробация работы. Основные результаты и материалы представлялись на МНПК «Перспективные нано- и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения» (Краснодар, 2007), НПК «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Светлогорск, 2008), V, VII, VIII и IX, X МНК «Инновации в науке и образовании» (Калининград, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012), «Наука и образование – 2009» (Мурманск, 2009), «Олимпиада 2014» (Краснодар, 2009), XI МК «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2010), IV НПК «Пищевая и морская биотехнология – для здорового питания и решения медико-социальных проблем» (Светлогорск, 2011), XI МНК «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Мурманск, 2012). Материалы и доклады представлялись в соавторстве и лично.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 26 печатных работах, в т.ч. 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен патент РФ № 2432768.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, методическую часть, результаты и их обсуждения, выводы, литературу (232 источников, в т.ч. 48 иностранных). Работа изложена на 218 страницах, содержит 37 таблиц, 32 рисунка и 9 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во «Введении» обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи, научная новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Обзор литературы» представлен анализ отечественной и зарубежной научной и патентной литературы, рассмотрено современное состояние переработки творожной сыворотки. Показан биотехнологический потенциал пектина и хитозана, основные проблемы переработки и фракционирования творожной сыворотки, необходимость обоснования эффективных технологий ее использования с применением биополимеров.
Во второй главе «Объекты и методы исследования» представлена схема исследования (рисунок 1), охарактеризованы объекты и методы анализа.
Объектом исследования служила творожная сыворотка, выработанная ОАО «Кировский сырзавод» (Калининградская обл., п. Тургенево) в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53438-2009. В качестве биополимеров для ее фракционирования применяли образцы хитозана производства ЗАО «Биопрогресс» (г. Щелково Московской области): хитозан пищевой (молекулярная масса (ММ) 478,0 кДа, степень деацетилирования (СД) 80 %), хитозан среднемолекулярный пищевой (ММ 200,0 кДа, СД 92 %), хитозан низкомолекулярный пищевой (ММ 38,7 кДа, СД 90 %), сукцинат хитозана (ММ 38,7 кДа, СД 90 %) и пектин высокоэтерифицированный цитрусовый (ММ 200 кДа (Германия), который по основным характеристикам соответствовал требованиям ГОСТ 29186-91. При приготовлении функциональных изделий на основе продуктов фракционирования сыворотки использовали творог, фруктозу, фруктовые соки и ягодный жом облепихи и черноплодной рябины, которые по качеству соответствовали требованиям действующей документации.
Отбор проб, подготовку их к анализу проводили по ГОСТ 26809-86, ГОСТ Р 53430-2009. В работе применяли стандартные и общепринятые органолептические, физические, химические, физико-химические, микробиологические методы исследований. Органолептический анализ полуфабрикатов и готовых изделий проводили по разработанным балльным шкалам с учётом коэффициентов значимости.
Массовые доли сухих веществ в сыворотке, продуктах фракционирования и изделиях на их основе определяли по ГОСТ 3626-73, белка – по ГОСТ Р 53951-2010, лактозы – по МВИ № 04-2006, жира – по ГОСТ 5867-90, витамина С – по ГОСТ 24556-89. Плотность сыворотки оценивали с помощью ареометра по ГОСТ 3625-84, температуру - по ГОСТ 26754-85. Титруемую кислотность анализировали по ГОСТ 3624-92, активную кислотность – по ГОСТ Р 53359- 2009, динамическую вязкость – с помощью ротационного вискозиметра «Rheotec». Уровень синерезиса белково-углеводной фракции определяли методом прямого измерения количества выделенной сыворотки при хранении в течение 24 ч при температуре 4 oC [Тегерсен, Кристенсен, 2010].
Рисунок 1 – Схема исследования
Для оценки безопасности в соответствии с СанПиН 2.3.2.1078-01 определяли токсичные элементы, радионуклиды, микробиологические показатели. Содержание тяжелых металлов оценивали атомно-абсорбционным методом (Pb – по ГОСТ 26932-86, Cd – по ГОСТ 26933-86, Hg – по ГОСТ 26927-86, As – по ГОСТ Р 51766-2001). Содержание радионуклидов определяли на гамма-, бета-спектрометрах (Sr-90 - по ГОСТ Р 54017-2010, Сs-137 – по ГОСТ Р 54016-2010). Определение КМАФАнМ и бактерий группы кишечных палочек проводили по ГОСТ Р 53430-2009, сальмонелл - по ГОСТ Р 52814-2007.
Количественные данные обрабатывали общепринятыми методами статистического анализа с использованием пакета Microsoft Office Excel 2010.
В третьей главе «Результаты исследования и их обсуждение» на основании экспериментальных и литературных данных оценено воздействия основных факторов на процесс фракционирования сыворотки, разработаны технологии фракционирования и изготовления функциональных продуктов на основе полученных фракций, проведена оценка качества и безопасности полуфабрикатов и готовых изделий, предложена комплексная схема переработки сыворотки и молока с применением биополимеров, рассчитан экономический эффект.
В разделе «Обоснование целесообразности фракционирования творожной сыворотки комплексом полисахаридов» было предложено вводить в сыворотку биополимеры пектин и хитозан, целесообразность использования которых совместно обусловлена эффектом их синергетического взаимодействия [Сафронова, 2002]. В связи с тем, что данные полисахариды разноименно заряжены, а их физико-химические свойства дополняют друг друга, образуется новый полиэлектролитный комплекс, обладающий повышенной сорбционной способностью. В результате степень осаждения сывороточных белков значительно повышается (до 92,1 %). Рациональность введения высокоэтерифицированного пектина (ММ 200 кДа) в сыворотку была показана ранее в специальных экспериментах [Скапец, 2008]. Для обоснования вида хитозана, рационального для эффективного фракционирования сыворотки, первоначально её обрабатывали только растворами различных хитозанов в 2 % - ном растворе аскорбиновой кислоты. Сывороточную систему кислотностью около 70 оТ тщательно перемешивали и выдерживали в течение 0,5 ч при комнатной температуре. В результате активного взаимодействия хитозана с белками образовывался осадок, который отфильтровывали, при этом содержание сухих веществ в сыворотке уменьшалось на 0,1-0,5 % от массы сыворотки, что эквивалентно снижению их содержания на 1,5-7,6 % начальной массы. Максимальное количество выпавшего осадка наблюдалось при внесении в сыворотку высокомолекулярного хитозана в количестве 0,1%. Однако
при этом органолептические показатели осветлённой сыворотки оставались на низком уровне, полной прозрачности не достигалось, а сформировавшийся осадок имел мелкодисперсную структуру и сложно отделялся фильтрованием.
На следующем этапе исследования в сыворотку вводили совместно пектин и хитозан, комбинируя способы, порядок их введения и дозировки. Наибольшей способностью осаждать сухие вещества сыворотки в комплексе с пектином обладал высокомолекулярный образец хитозана, а наименьшей – сукцинат хитозана. Все образцы сыворотки, обработанные комплексом биополимеров (прежде всего, с высокомолекулярным хитозаном), образовывали значимый по массе коллоидный осадок крупнодисперсной структуры (рисунок 2), который легко отфильтровывался. Содержание сухих веществ при этом в осветлённой сыворотке уменьшалось на 1,3 - 23,3 % от ее первоначальной массы, т.е. достигалось снижение их количественного уровня на 0,10 - 1,75 %.
а)  | б)  |
Рисунок 2 - Общий вид сывороточной системы (а) и образовавшегося осадка (б) при внесении комплекса высокомолекулярных хитозана и пектина
Дегустационный анализ образующихся фракций (осветлённой жидкой лактозо-минеральной и осадочной белково-углеводной) (рисунок 3) показал их высокие органолептические свойства (14,3-15,0 баллов по 15-балльной шкале).
а)  | б)  |
Рисунок 3 – Продукты фракционирования сыворотки - а) осветленная лактозо-минеральная фракция (справа) в сравнении со свежей сывороткой
(слева), б) белково-углеводная фракция
Для изучения процесса фракционирования сыворотки биополимерами, обусловленного специфическим механизмом их взаимодействия между собой и составляющими системы, были проведены специальные эксперименты.
В разделе «Исследование влияния технологических факторов на процесс фракционирования сыворотки полисахаридами» изучены зависимости эффективности осаждения сухих веществ от температуры и продолжительности экспозиции системы, ее кислотности, способа введения биополимеров.
Для установления характера влияния температуры ее варьировали от 5 до 100 °С при кислотности сыворотки 70 оТ и содержании в ней сухих веществ 7,25 %, при этом количество вносимых хитозана и пектина составляло соответственно 0,06 и 0,35 % ее массы. Первоначально вводили сухой пектин при интенсивном перемешивании в течение 5 мин., после чего к сгущенной сыворотке, продолжая перемешивание, добавляли 1 %-ный раствор хитозана в 2 %-ом растворе аскорбиновой кислоты в количестве 10 % от массы смеси. Систему экспонировали 30 мин. и фильтровали через ткань лавсановую фильтровальную с размером ячейки около 70 мкм.
Наиболее эффективно процесс фракционирования протекал при температуре 75-100 оС. При этом образовавшиеся осадки имели однородную плотную консистенцию, содержали максимальное количество сухих веществ (9,72 – 10,23 %) и легко отфильтровывались. В данном случае имел место синергетический эффект термокоагуляции белков, что не только способствовало повышению сорбционной емкости термоустойчивых пектина и хитозана, но и микробиологической безопасности образующихся продуктов.
В связи с коллоидной природой осадка в процессе хранения наблюдался его синерезис. Характер влияния температуры фракционирования творожной сыворотки на уровень синерезиса после 24 ч хранения осадка при температуре 4 оС, свидетельствующий о его количественной минимизации при фракционировании от 70 оС и выше, графически представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Влияние температуры фракционирования творожной сыворотки на уровень синерезиса белково-углеводной фракции
Для определения рациональной продолжительности экспозиции биополимеров в сыворотке при температуре 75 оС варьировали время выдержки от 0,5 до 30 мин., оценивая степень выделения сывороточных белков (рисунок 5). Видимые изменения в системе «творожная сыворотка – хитозан - пектин» начинали происходить в течение первой минуты экспозиции, далее (до 10 мин.) степень извлечения сывороточных белков постоянно повышалась, после чего наступала количественная стабилизация.
 Рисунок 5 - Влияние продолжительности экспозиции биополимеров на степень извлечения сывороточных белков | С учетом установленного рациональными значениями температуры, продолжительности фракционирования, кислотности сыворотки биополимерами можно считать 75 оС, 10 мин., 70 оТ. В разделе «Оптимизация процесса фракционирования творожной сыворотки полисахаридами» получена математи- |
ческая модель процесса, на основании которой были установлены оптимальные дозировки хитозана и пектина. Эксперименты проводили на основе ортогонального центрального композиционного плана (ОЦКП) второго порядка для двух факторов. План эксперимента и результаты его реализации приведены в таблице 1.
Таблица1 - План эксперимента и результаты его реализации при моделировании процесса фракционирования творожной сыворотки пектином и хитозаном
| Номер опыта | План эксперимента | Частные отклики | Обобщенный параметр оптимизации, Y | |||||
| Масса хитозана, % к массе сывороточной системы | Масса пектина, % к массе сывороточной системы | Y1, балл | Y2, балл | Y3, % | ||||
| по матрице, Х1 | нату-рально, М 1, % | по матрице, Х2 | нату-рально, М2, % | |||||
| 1 | + 1 | 0,10 | + 1 | 0,60 | 15,0 | 13,3 | 16,23 | 0,0195 |
| 2 | - 1 | 0,02 | + 1 | 0,60 | 13,3 | 8,6 | 2,31 | 0,9104 |
| 3 | + 1 | 0,10 | - 1 | 0,10 | 14,0 | 15,0 | 15,09 | 0,0044 |
| 4 | - 1 | 0,02 | - 1 | 0,10 | 13,3 | 12,4 | 1,62 | 0,8384 |
| 5 | + 1 | 0,10 | 0 | 0,35 | 15,0 | 14,3 | 15,25 | 0,0023 |
| 6 | - 1 | 0,02 | 0 | 0,35 | 13,3 | 9,1 | 2,14 | 0,9023 |
| 7 | 0 | 0,06 | + 1 | 0,60 | 14,0 | 12,0 | 10,64 | 0,1288 |
| 8 | 0 | 0,06 | - 1 | 0,10 | 15,0 | 13,5 | 4,02 | 0,5458 |
| 9 | 0 | 0,06 | 0 | 0,35 | 15,0 | 12,8 | 9,09 | 0,1766 |
Параметром оптимизации математической модели Y был выбран безразмерный обобщенный показатель, объединяющий три частных отклика: Y1 и Y2 (соответственно, органолептическая оценка качества осветленной и осадочной фракций сыворотки, баллы); Y3 (выход белково-углеводной фракции, % к массе сыворотки). На основе частных откликов рассчитывали безразмерный обобщенный параметр оптимизации по методу приближения к «идеалу», в качестве которого для Y1 и Y2 приняли 15 баллов (максимальная органолептическая оценка), для Y3 - 15 % (при большем значении осадок быстро подвергается синерезису).
В результате математической обработки данных была получена модель процесса фракционирования сыворотки в кодированном виде (формула 1), графически представленная в натуральном виде в форме поверхности (рисунок 6).
y= 0,3920-0,4374х1 - 0,0549х2- 0,0142х1х2+0,1624х12+0,1063х22 (1)
 Рисунок 6 - Математическая модель фракционирования творожной сыворотки в натуральном виде | Расчётные оптимальные значения искомых дозировок хитозана и пектина составили соответственно 0,10 % и 0,43 % массы сыворотки, что подтвердили практические эксперименты. В разделе «Обоснование тех-нологии фракционирования тво-рожной сыворотки комплексом пектина и хитозана» приведены структурная схема и описание техно- |
логии, показывающие основные операции получения сывороточных полуфабрикатов, на основе которых рекомендовано последующее изготовление функциональных пищевых изделий (рисунок 7). Ключевой операций является введение полисахаридов и образование полиэлектролитного комплекса (ПЭК), ядром которого выступают макромолекулы хитозана. Механизм образования ПЭК заключается в следующем: положительно заряженные молекулы хитозана в растворе аскорбиновой кислоты разворачивают свои функциональные группы
в сгущенной пектином сывороточной системе, химически взаимодействуя с его молекулами и сывороточными белками, заряженными отрицательно. В результате образуется устойчивый ПЭК новой природы, в котором к макромолекулам хитозана, обладающим большей молекулярной массой и степенью разветвления, присоединены молекулы пектина и белков в качестве лигандов. Стабилизация ПЭК осуществляется за счет солевых и водородных связей системы. ПЭК, обладая высокой поверхностной активностью, связывает также жир, часть лактозы, органических кислот и минеральных веществ. Образование ПЭК визуализируется в виде интенсивно выпадающих в осадок коллоидных сгустков. За счёт высокой температуры сывороточные белки ПЭК денатурируют, что способствует конформационному освобождению их функциональных групп, сшивающих отдельные нити ПЭК. В результате степень выделения сывороточных белков повышается до 92,1 % от их исходного количества (таблица 2).
Рисунок 7 - Технологическая схема фракционирования творожной сыворотки пектином и хитозаном
Разработанная технология фракционирования является доступной в реали-зации и позволяет получать из творожной сыворотки полуфабрикаты с высоки-ми функционально-технологическими свойствами.
В разделе «Качественные характеристики продуктов фракционирования и обоснование направления их использования» установлен высокий биопотенциал образующихся фракций (таблица 2).
В осветленной фракции выявлено высокое содержание лактозы и минеральных веществ, витаминов группы В и аскорбиновой кислоты, практическое отсутствие жиров, традиционный для свежей творожной сыворотки уровень кислотности. Данную фракцию, определенную как лактозно-минеральную, целесообразно рекомендовать для изготовления напитков, полезных в спортивном и геронтодиетическом питании, а также в профилактических целях.
Таблица 2 – Характеристика продуктов фракционирования сыворотки
| Наименование показателя | Характеристика показателей | |
| осветлённой лактозо-минеральной фракции сыворотки | белково-углеводной фракции | |
| Внешний вид | Однородная прозрачная жидкость с желтым оттенком | Однородная творожистая масса светло-кремового цвета |
| Запах | Приятный кисломолочный | Приятный кисломолочный с легким цитрусовым ароматом |
| Консистенция | Однородная, жидкая | Слегка не однородная, Зернистая |
| Вкус | Приятный чистый кисломолочный | Приятный кисломолочный с цитрусовым оттенком |
| Кислотность, °Т | 67,0 -70,0 | 13,0-15,0 |
| Содержание сухих веществ, % | 3,8-6,2 | 11,0-14,8 |
| Содержание лактозы, % | 3,2-5,1 | 1,4-1,9 |
| Содержание белка, % | 0,1-0,2 | 5,5-7,4 |
| Содержание жира, % | - | 0,6-2,0 |
| Содержание пищевых волокон, % | - | 3,5 |
| Содержание минеральных веществ, % | 0,59-0,95 | 0,18-0,28 |
| Содержание витаминов, мг в 100 г витамин В1 (тиамин) витамин В2 (рибофлавин) витамин В6 (пиридоксин) витамин С | 0,34 0,03 0,12 157,7 | - - - - |
Осадочная фракция является в основном источником ценных сывороточ-ных белков (-лактоглобулина, -лактальбумина, иммуноглобулинов, альбуми-на сыворотки крови, протеозо-пептонов) и пищевых волокон (пектина и хито-зана). Это обусловливает рациональность изготовления на её основе функциональной пищевой добавки, а также ее применение в качестве обогатителя в составе специализированного питания, предназначенного для людей, страдающих заболеваниями желудочно-кишечного тракта, поджелудочной железы, печени.
В разделе «Разработка технологии функциональных напитков на основе осветленной фракции творожной сыворотки» при создании рецептуры функциональных напитков в качестве источника БАВ, повышающего сбалансированность состава продукта, вносили неосветленные соки облепихи (Hippophae rhamnoides) и черноплодной рябины (Aronia melanocarpa). В качестве подсластителя применяли фруктозу, рекомендуемую в профилактическом питании вместо сахарозы. Для оптимизации дозировок соков (х1) и фруктозы (х2) использовали ОЦКП второго порядка для двух факторов, где частными параметрами оптимизации являлись: Y1 - органолептическая оценка готовых напитков, баллы; Y2 - содержание флавоноидов (для напитков с черноплодно-рябиновым соком) или каротиноидов (для напитков с облепиховым соком), % к массе напитка. Кодированные модели рецептур экспериментальных напитков с добавлением облепихового и черноплодно-рябинового соков (формулы 2 и 3):
y= 0,1545 -0,0023х1 - 0,1129х2- 0,0200х1х2+0,0740х12+0,0238х22, (2)
y= 0,2010 + 0,0157х1 - 0,0835х2+ 0,0400х1х2+0,0123х12+0,0467х22. (3)
Оптимальные дозировки фруктозы и сока составили 6,6 % и 14,7 % для напитка с добавлением облепихового сока; 5,2 % и 14,8 % - соответственно для напитка с добавлением черноплодно-рябинового сока, что иллюстрируется координатами точки экстремума графического представления модели в натуральном виде (рисунок 8).
Анализ показал, что одна порция сывороточного облепихового и черноплодно-рябинового напитка (200 г) с соком облепихи и черноплодной рябины содержит (с учётом потерь при пастеризации) соответственно 17,8 % и 51,9 % рекомендуемой суточной нормы потребления токоферолов и флавоноидов [МР 2.3.1.2432-08]. Таким образом, данные напитки можно считать функциональными.
 |  |
а) б)
Рисунок 8 - Геометрические интерпретации моделей рецептур напитков на
основе осветленной творожной сыворотки, обогащенной облепиховым
соком (а) и черноплодно-рябиновым соком (б)
Полученные напитки, названные «МолоХит», имели приятные кисломолочные аромат и вкус, обогащённые сбалансированно выраженным привкусом ягод, а также яркую, устойчивую окраску (рисунок 9).
а)  | б) |
Рисунок 9 – Внешний вид напитков «Молохит» с соком облепихи (а),
с соком черноплодной рябины (б)
Технологическая схема производства функциональных напитков «МолоХит», разработанная на основе ТУ 9229-004-44188849-2003, приведена на рисунке 10.
Для установления срока годности напитков «МолоХит» в процессе сравнительного хранения при стандартных режимах в течение 28 суток исследовались КМАФАнМ, бактерии группы кишечных палочек (БГКП); дрожжи и плесени, титруемая и активная кислотность, органолептические показатели. Было установлено, что в экспериментальных образцах титруемая и активная кислотность нарастает на 4-33 % медленнее по сравнению с контрольным образцом (стандартным сывороточным напитком «Окрошечка»). Данный факт можно объяснить бактерицидным действием хитозана при фракционировании сыворотки, а также удалением белков, которые являются благоприятной средой для размножения гнилостной микрофлоры. Титруемая кислотность на 14-е сутки хранения нарастает в пределах от 71 до 73 °Т и от 69 до 72 °Т для напитков «МолоХит» с облепиховым соком, с черноплодно-рябиновым соком. Органолептические показатели напитков на 28-е сутки хранения были высокими (4,3-4,5 баллов по 5-балльной шкале), в отличие от контрольных образцов, имевших резкие кислые запах и вкус уже на 10-е сутки хранения. С учётом коэффициента запаса (2,0) срок годности напитков «МолоХит» определен, как 14 суток.
Рисунок 10 -Технологическая схема производства функциональных напитков «МолоХит» на основе осветлённой творожной сыворотки
В разделе «Технология пищевой добавки «Пектохитомол» и обогащенных ею функциональных продуктов» предложена технология пищевой добавки, названной «Пектохитомол», которая представлена на рисунке 11. Сущность ее заключается в отделении осадочной белково-углеводной фракции, которую можно обогащать фитокомпонентами, обезвоживать, либо получать в натуральном виде. Для повышения сбалансированности химического состава добавки в нее рекомендуется вносить фитокомпозиции, состав и вид которых зависит от ее дальнейшего применения (самостоятельно, в качестве обогатителя). Например, органолептически гармонично и функционально внесение тонкоизмельченных сушеных листьев ламинарии, цветов ромашки аптечной, плодов шиповника. Для сохранения ценных биологических свойств добавки целесообразно применять такие виды сушки, как лиофильная, вакуумная, сублимационная, способствующие максимальному сохранению биологически активных веществ. Готовая пищевая добавка, в зависимости от наличия и вида фитокомпозиции, оценивается в 4,3 – 5,0 баллов по 5–балльной органолептической шкале.
Рисунок 11 - Технологическая схема пищевой добавки «Пектохитомол»
В виду функциональности пищевой добавки по содержанию пищевых волокон было предложено рекомендовать ее использование как самостоятельно (для спортивного питания, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта), так и в качестве обогащающей для творожных изделий. Установлено, что творожные продукты, полученные путем обогащения 9%-го творога добавкой «Пектохитомол» в количестве 42,5 %, также являются функциональными по содержанию пищевых волокон, имеют высокие органолептические показатели (общая оценка – 4,6-5,0 баллов по 5-балльной шкале). С целью повышения пищевой ценности и органолептических свойств обогащенных изделий, а также ком-плексности использования ягодного сырья, было предложено в итоговые композиции вводить высушенный жом аронии и облепихи в тонкоизмельчённом виде. Последний является концентратом ценных микроэлементов, органических кислот, флавоноидов и других БАВ, что существенно повышает биологическую ценность готовых изделий, улучшает их органолептическое восприятие. Экспериментальные образцы были оценены в 4,9-5,0 баллов, что является максимальной оценкой. Итоговые творожные композиции, обогащенные жомом данных ягод в количестве 1,5 %, можно рекомендовать к применению в спортивном, детском, геронтодиетическом питании.
а)  | б)  |
Рисунок 12 - Внешний вид творожных продуктов, обогащенных пищевой
добавкой «Пектохитомол» и жомом облепихи (а), черноплодной рябины (б)
Срок годности обогащенных творожных продуктов составляет 10 суток с учётом коэффициента запаса (2,0), что значительно превышает данный показатель для контроля (творог 9 %-ной жирности, 72 ч).
В разделе «Технология комплексной переработки творожной сыворотки с применением биополимеров» показана возможность безотходного использования сыворотки обоснованным выше способом. При этом рекомендуется следующая схема комплексной переработки молока, учитывающая традиционное получение творожной сыворотки с учётом разработанного совершенствования по комплексной переработке творожной сыворотки (рисунок 13).
Результаты научных исследований положительно апробированы в производственных условиях ОАО «Кировский сырзавод».
В разделе «Экономическая эффективность разработанной технологии» представлены основные расчетные показатели экономической эффективности производственного проекта: годовая мощность предприятия – 2500 т переработанной сыворотки, годовой объём продаж - 54090,4 тыс. руб., чистая прибыль - 11581,1 тыс. руб., точка безубыточности (по напитку «МолоХит» с соком облепихи) - 31,5 т, срок окупаемости – 0, 31 года.
Рисунок 13 – Технологическая схема комплексной переработки молока
ВЫВОДЫ
1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена эффективная технология комплексной переработки творожной сыворотки путём её фракционирования биополимерами пектином и хитозаном, что позволяет изготавливать функциональные напитки на основе осветленной лактозо-минеральной фракции, пищевую добавку на основе осадочной белково-углеводной фракции и обогащенные ею творожные продукты.
2. Показано, что для эффективного использования комплекса биополимеров пектина и хитозана при фракционировании творожной сыворотки рационально использовать высокомолекулярный хитозан, вводимый в виде 2 %-го раствора аскорбиновой кислоты после сгущения творожной сыворотки высокоэтерифицированным пектином.
3. Установлены рациональные значения технологических факторов при фракционировании творожной сыворотки биополимерами: температура процесса 75 оС, продолжительность - 10 мин., титруемая кислотность сыворотки – 70 оТ.
4. Получена математическая модель процесса фракционирования творожной сыворотки, на основе которой установлены оптимальные дозировки пектина и хитозана: 0,43 % и 0,10 % к массе смеси соответственно.
5. Проведена оценка качества продуктов фракционирования сыворотки, подтвердившая их высокую пищевую ценность и приоритетность содержания лактозы и минеральных веществ в осветленной фракции; сывороточных белков и пищевых волокон в осадочной фракции.
6. На основе осветлённой фракции сыворотки разработана технология сокосодержащих напитков «МолоХит», основанная на введении натуральных соков облепихи и черноплодной рябины. Исследованы пищевая ценность, органолептические свойства, функциональность, сроки годности напитков.
7. На основе белково-углеводной фракции сыворотки обоснована технология пищевой добавки «Пектохитомол» и обогащённых ею творожных продуктов с добавлением жома облепихи и черноплодной рябины. Показаны их повышенные пищевая ценность, функциональность, хранимоспособность, разработаны рекомендации к применению.
8. Предложена схема совершенствования комплексной переработки молока, рациональной частью которой является обоснованное комплексное использование творожной сыворотки.
9. Проведена производственная апробация результатов исследования на ОАО «Кировский сырзавод», подтвердившая целесообразность фракционирования творожной сыворотки биополимерами для последующего её использования в технологии функциональных продуктов.
10. Оценена экономическая эффективность внедрения разработки, показавшая прибыль свыше 11,5 млн. руб. в год при переработке 2500 т сыворотки.
11. Разработаны проекты нормативной документации на изготовление функциональных напитков «МолоХит», пищевой добавки «Пектохитомол» и обогащенных ею функциональных творожных продуктов.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Математическое моделирование процесса фракционирования молочной сыворотки биополимерами // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - № 1. - С. 89-94.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Оптимизация процесса фракционирования молочной сыворотки пектином и хитозаном // Известия вузов. Пищевая технология. - 2011. - № 2-3. - С. 64-66.
- Мезенова О.Я., Скапец О.В. (Тюльпина О.В.). Хитозан в технологии комплексной переработки молочной сыворотки // Хранение и переработка сельзхозсырья. - 2011. - № 6. - С. 49-53.
Публикации в других изданиях и материалах конференций:
- Патент РФ № 2432768 Способ приготовления функционального напитка на основе молочной сыворотки / О.Я. Мезенова, О.В. Скапец (О.В. Тюльпина). Заявка № 2010111984, приоритет от 29.03.2010.
- Руднева А.И., Сергеев Н.С., Скапец О.В. (Тюльпина О.В.). Рациональные пути использования пищевых ароматизаторов в молочной промышленности // Труды научной конференции «Инновации в науке и образовании». Ч. 1. – Калининград: Издательство КГТУ, 2007. – С. 369 –371.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Сергеев Н.С. Использование вторичного молочного сырья в производстве сокосодержащих напитков с добавлением пектина // Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные нано- и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения». – Краснодар, 2007. – С. 225.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Технология функционального напитка на основе молочной сыворотки с добавлением пектина // Материалы пятого съезда Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова – 2-4 декабря 2008 г. - С. 153-154.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Сергеев Н.С. Функциональный напиток на основе молочной сыворотки с добавлением пектина // Тезисы научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: Проблемы и перспективы». – М.: Макс-Пресс, 2008. – С. 130-131.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Исследование биотехнологического потенциала функциональных напитков на основе молочной сыворотки для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта // Вестник молодежной науки – 2009: сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых. – Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009 – С. 212-216.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. К вопросу о применении биополимеров в сывороточных напитках // Инновации в науке и образовании – 2009. – Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009 – С. 356-358.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. К вопросу о применении структурообразователей в производстве молочных продуктов // Вопросы зоотехнии и ветеринарной медицины: международный сборник научных трудов, посвященный 10-летию кафедры «зоотехния». - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. – С. 228 - 234.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Биотехнологический потенциал напитков на основе молочной сыворотки // «Олимпиада 2014: Технологические и экологические аспекты производства продуктов здорового питания». – Краснодар, 2009. – С. 279 – 281.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Исследование свойств функциональных напитков на основе молочной сыворотки // Международная научно-техническая конференция: Наука и образование – 2009. - Мурманск, 2009. – С. 450-453.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Обоснование способа введения биополимеров в молочную сыворотку в технологии функциональных напитков // Вестник молодежной науки – 2010: сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. – С. 233-237.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Перспективы комплексного использования хитозана и пектина в технологии молочных продуктов // Труды научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2010». Ч.2. – Калининград: Издательство КГТУ, 2010. – С. 104-106.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Применение биополимеров в технологии функциональных напитков на основе молочной сыворотки // Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов: сборник тезисов. Киев, 2010. – С. 136-137.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. О перспективах использования структурообразователей в технологии функциональных продуктов на основе молочной сыворотки. Материалы ХI Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» - Казань, 2010. - С. 89-90.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Структурообразователи в технологии функциональных напитков на основе молочной сыворотки // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 125-летию со дня рождения И.И. Месяцева. – Мурманск: ПИНРО, 2010. – С. 159-160.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.). Перспективы комплексного использования хитозана и пектина в технологии молочных продуктов // Известия КГТУ. - Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2011. - № 21. - С. 105-111.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Технология комплексной переработки молочной сыворотки // Инновации в науке и образовании – 2011: труды – Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2011. – С. 293-295.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Исследование процесса фракционирования молочной сыворотки // Пищевая и морская биотехнология - для здорового питания и решения медико-социальных проблем: материалы IV научно-практической конференции. – М., 2011. - С. 107-108.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Комплексной использование молочной сыворотки при её фракционировании биополимерами // Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов: сборник тезисов.-Киев, 2011.– С. 225-228.
- Мезенова О.Я., Анашкина К.Г., Скапец О.В. (Тюльпина О.В.) и др. Современные биотехнологии функциональных пищевых продуктов, обогащенных фитопарафармацевтиками. // VI Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития»: материалы конгресса. Ч.2. – М., 2011. – С. 103-104.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Фракционирование молочной сыворотки комплексом биополимеров // Вестник молодежной науки: сборник статей студентов, аспирантов, молодых ученых. - Калининград, 2011. - С. 274-278.
- Мезенова О.Я., Скапец О.В. (Тюльпина О.В.) Хитозан в комплексной переработке молочной сыворотки на функциональные продукты // Матер. XI междунар. конф. «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана». - Мурманск, 2012. - С. 445-449.
- Скапец О.В. (Тюльпина О.В.), Мезенова О.Я. Функциональные продукты на основе молочной сыворотки // Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов: сборник тезисов. Киев, 2012. – С. 120-121.
Заказ №. Подписано в печать 2012 г. Формат 60х84 (1/16).
Тираж 100 экз. Объем 1,0 п.л.
Издательство ФГБОУ ВПО «КГТУ», 236022, г. Калининград, Советский пр-т. 1
