ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕБИОТИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ НА ОСНОВЕ НАНОКЛАСТЕРОВ ВТОРИЧНОГО МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрена концепция получения пребиотических концентратов с регулируемым углеводным, амино-кислотным и минеральным составом. Изучены закономерности изомеризации лактозы в лактулозу в различных видах молочной сыворотки. Обоснована эффективность химического и ферментативного гидролиза сывороточных белков. Установлены оптимальные параметры технологических процессов получения пребиотических концентратов.

Ключевые слова:
Лактоза, изомеризация, лактулоза, сывороточные белки, протеолиз, пребиотические концентраты.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Разработка и внедрение технологических процес­сов переработки вторичных сырьевых ресурсов явля­ется одной из важнейших задач модернизации мо­лочной промышленности Российской Федерации. Вовлечение в технологический цикл предприятий отрасли обезжиренного молока, пахты, молочной сыворотки позволяет оптимизировать структуру ис­пользования сырья, расширить ассортимент выпус­каемых продуктов, в том числе позиционируемых по современным представлениям науки о питании как физиологически функциональные.

Значительное внимание уделяется применению в технологии продуктов функционального питания молочной сыворотки как основного ресурса лактозы и биологически полноценных сывороточных белков. Применение принципов нанобиотехнологии при по­лучении новых продуктов с заданным составом и свойствами представляется перспективным по двум основным направлениям: химическая и биологическая трансформация компонентов вто­ричного молочного сырья; глубокое фракционирова­ние пищевых полидисперсных систем баро- и элек­тромембранными методами.

Рабочая гипотеза о направленном синтезе произ­водных лактозы и белков вторичного молочного сы­рья включает следующие положения:

– смещение мутаротационного равновесия ано­меров лактозы в сторону более реакционно-способ­ной β-формы с использованием принципов кислотно-щелочного катализа при проведении процессов изо­меризации, гидролиза и трансгалактозилирования лактозы;

– проведение реакции изомеризации лактозы в лактулозу в присутствии белков молочного сырья и их гидролизатов по двум механизмам (LA-транс­формации и перегруппировки Амадори) с целью увеличения выхода целевого продукта;

– создание технологически релевантных значений рН среды, концентрации минеральных веществ в ре­акционных системах на основе механизмов переноса ионов через полупроницаемые ионоселективные мембраны (электродиализ, электрохимическая акти­вация жидких полидисперсных систем) и полупро­ницаемые поверхностные слои ионитов (катионооб­мен и анионообмен);

– интенсификация процессов ферментативного катализа (гидролиз и трансгалактозилирование лак­тозы, протеолиз сывороточных белков) методом электрохимической активации за счет повышения растворимости субстратов, снижения потенциаль­ного барьера реакций;

– регулирование массовой доли сухих веществ молочной сыворотки и ее технологических фракций с целью создания оптимальных условий для получе­ния производных лактозы и сывороточных белков.

Анализ современных тенденций переработки вторичного молочного сырья позволил сформулиро­вать концепцию получения пребиотических концен­тратов с регулируемым углеводным, аминокислот­ным и минеральным составом. Одним из основопо­лагающих принципов данной концепции является достижение синергетического действия бифидоген­ных факторов за счет совмещения в технологии кон­центратов на основе вторичного молочного сырья процессов направленной физико-химической и/или энзиматической трансформации лактозы и белков молока.

С точки зрения логистики переработки молочной сыворотки с вовлечением ресурсов натурального и биотехнологически модифицированного обезжирен­ного молока, а также технологических фракций с де­терминированным составом (пермеатов и ретента­тов) технология пребиотических концентратов бази­руется на сочетании принципов полного использова­ния сухих веществ и получения производных компо­нентов вторичного молочного сырья без их предва­рительного выделения.

Изучены закономерности процесса изомеризации лактозы в творожной сыворотке (рис. 1). Для регули­рования рН творожной сыворотки применялся рас­твор гидроксида кальция. Максимальное значение степени изомеризации достигается при температуре реакции 90 °С. В то же время в интервале температур 80–90 °С выход целевого продукта возрастает незна­чительно при резком снижении значений рН среды. Это свидетельствует об образовании продуктов де­градации лактулозы. Процессы образования продук­тов побочных реакций более выражены в творожной сыворотке, что связано в первую очередь со сниже­нием доброкачественности сырья по лактозе.

 

 

Рис. 1. Динамика синтеза лактулозы в творожной сы­воротке при постоянной температуре: 1 – 60 °С; 2 – 70 °С; 3 – 80 °С; 4 – 90 °С

 

Сопоставление экспериментальных данных по син­тезу лактулозы в растворах молочного сахара и молоч­ной сыворотке показало, что снижение доброкачест­венности сырья по лактозе приводит к уменьшению выхода целевого продукта на 10–28 %. Данный факт подтвердил целесообразность изучения влияния мас­совой доли сухих веществ, минерального комплекса сырья на эффективность синтеза лактулозы.

Изучена специфика изомеризации лактозы в кон­центрированной творожной сыворотке с массовой долей сухих веществ 20, 30 и 40 % в интервале тем­ператур 70–90 °С при рН среды 10,8±0,1. Рис. 2 ил­люстрирует динамику изменения степени изомери­зации лактозы при оптимальной температуре про­цесса 80 °С.

 

 

Рис. 2. Динамика изменения степени изомеризации лактозы в концентрированной творожной сыворотке с мас­совой долей сухих веществ: 1 – 20 %; 2 – 30 %; 3 – 40 %

Увеличение температуры в интервале 70–90 °С приводит к повышению выхода целевого продукта при одновременном накоплении продуктов деграда­ции лактулозы.

В табл. 1 представлены данные, характеризую­щие эффективность процесса изомеризации лактозы в лактулозу в различных видах лактозосодержащего сырья при температуре 80 °С. Анализ эксперимен­тальных данных, приведенных в табл. 1, позволил сделать вывод о целесообразности проведения изо­меризации лактозы в лактулозу в концентрирован­ной молочной сыворотке при соблюдении установ­ленных значений технологических факторов.

 

Таблица 1

 

Показатели эффективности синтеза лактулозы

в различных видах лактозосодержащего сырья

 

Контролируемые показатели

Значение показателя для вида

лактозосодержащего сырья

Раствор мо­лочного са­хара-сырца 5%-й кон­центрации

Творож­ная сы­воротка, 6 % су­хих ве­ществ

Творож­ная сы­воротка, 23 % су­хих ве­ществ

Продолжитель­ность реакции до достижения мак­симального вы­хода лактулозы, мин

39–43

27–33

27–30

Массовая доля лактулозы, %

1,5–1,7

1,3–1,5

5,6–6,2

Относительная концентрация лактулозы, % от массовой доли сухих веществ

30–34

22–25

25–27

Максимальная скорость реак­ции, ммоль/л·с

0,044

0,032

0,076

Оптическая плотность по за­вершении изоме­ризации, ед.

0,079

0,125

0,212

Изменение рН среды в процессе изомеризации, ед.

0,67

1,17

1,38

 

В рамках изучения влияния минерального ком­плекса лактозосодержащего сырья на эффективность синтеза лактулозы исследован процесс изомеризации лактозы в подсырной сыворотке, деминерализован­ной методом электродиализа. Подтверждена целесо­образность предварительного концентрирования подсырной сыворотки и электродиализной обра­ботки до 70%-го уровня деминерализации. Реализо­ван двухфакторный эксперимент по оптимизации параметров изомеризации лактозы в деминерализо­ванной подсырной сыворотке с массовой долей су­хих веществ 24 %.

 

В качестве критериев оптимизации процесса син­теза лактулозы в концентрированной деминерализо­ванной сыворотке по аналогии с рассмотренными выше экспериментами были использованы степень изомеризации лактозы (У1), а также конечные значе­ния рН (У2) и оптической плотности (У3) реакционной смеси. Закономерности синтеза лактулозы в демине­рализованной концентрированной подсырной сыво­ротке и накопления продуктов побочных реакций описываются следующими уравнениями регрессии:

 

У1 = 34,452 + 4,005 · Х1 + 2,890 · Х2 – 3,374 · Х12

– 3,578 · Х22 – 1,430 · Х1 · Х2;                   (1)

 

У2 = 10,32 – 0,07 · Х1 – 0,19 · Х2;                (2)

 

 

 

 

У3 = 0,226 + 0,060 · Х1 + 0,047 · Х2 – 0,028 · Х12

– 0,041 · Х22 + 0,022 · Х1 · Х2.                     (3)

 

Анализ математических моделей процесса изоме­ризации лактозы в концентрированной деминерали­зованной подсырной сыворотке показывает, что фак­тор температуры оказывает большее воздействие на выход лактулозы, а фактор продолжительности тер­мостатирования – на рН и оптическую плотность ре­акционной смеси по завершении процесса изомери­зации, т.е. на накопление продуктов побочных реак­ций. Так как для зависимостей степени изомеризации и оптической плотности от входных факторов харак­терны квадратичные эффекты и межфакторные взаимодействия, было решено построить поверхно­сти отклика и сечения, иллюстрирующие рассматри­ваемые математические модели (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Поверхности отклика выходных параметров У1 (степень изомеризации лактозы

в концентрированной деминерали­зованной подсырной сыворотке)

и У3 (оптическая плотность реакционной смеси после изомеризации)

 

 

Анализ математических и графических моделей процесса позволил установить оптимальные пара­метры (температура (76,5±1,5) °С, продолжитель­ность (16,5±1,5) минуты), соблюдение которых обеспечивает степень изомеризации лактозы на уровне 34–36 % (массовая доля лактулозы           6,5–7,0 %) при незначительном образовании продуктов побочных реакций.

В целом результаты исследований изомеризации лактозы в подсырной сыворотке, подвергнутой электромембранной обработке, подтвердили целесообразность реализации процесса в лактозосодержащем сырье с регулируемым минеральным составом.

Изучено влияние азотсодержащих компонентов на процесс изомеризации лактозы в лактулозу в под­сырной сыворотке. Исследована зависимость выхода целевого продукта от температуры, продолжитель­ности термостатирования и дозы внесения гидроли­зата обезжиренного молока (рис. 4).

 

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимость максимальной степени изомериза­ции от температуры и дозы внесения гидролизата обезжи­ренного молока

 

 

 

Максимальная степень изомеризации лактозы достигается при температуре 80–90 °С в течение 30–40 минут. Увеличение выхода лактулозы при варьи­ровании дозы внесения гидролизата обезжиренного молока в интервале от 2,5 до 7,5 % предположи­тельно объясняется протеканием реакции изомери­зации одновременно по механизмам LA-трансфор­мации и перегруппировки Амадори. Однако даль­нейшее увеличение дозы гидролизата приводит к снижению выхода целевого продукта, что обуслов­лено более интенсивным включением лактозы и лак­тулозы в реакции меланоидинообразования.

Результаты представленных исследований по­служили основой разработки технологии пребиоти­ческих (бифидогенных) концентратов на основе мо­лочной сыворотки. Для совершенствования процесса изомеризации лактозы в лактулозу рекомендованы следующие мероприятия: сгущение молочной сыво­ротки перед проведением изомеризации до массовой доли сухих веществ 20-25 %; деминерализация ме­тодом электродиализа до 70–75%-го уровня; обога­щение гидролизатом обезжиренного молока в коли­честве 5–6 % по массе.

С целью реализации концепции получения пре­биотических концентратов с регулируемым углевод­ным, аминокислотным и минеральным составом был осуществлен комплекс исследований химического (щелочного) и ферментативного гидролиза сыворо­точных белков. Химический гидролиз сывороточных белков рассматривался как этап технологического процесса получения бифидогенных концентратов, сопряженный со щелочной изомеризацией лактозы в лактулозу.

Изучено влияние режимов изомеризации лактозы на глубину гидролиза белков натуральной творож­ной сыворотки. Процесс изомеризации лактозы в лактулозу осу­ществлялся при температурах 75, 80, 85 °С и рН сыво­ротки 10,8±0,1. В процессе термостатирования проводился контроль концентрации аминного азота, массовой доли лактулозы и оптической плотности фильтрата (табл. 2).

 

Таблица 2

 

Динамика изменения контролируемых показателей

в процессе изомеризации лактозы

 

Тем-пе­ра­тура, °C

Продол­житель­ность термо­статиро­вания, мин

Концен­трация аминного азота, мг%

Массовая доля лак­тулозы, %

Оптическая плотность раствора

75

10

20,4±0,4

0,49±0,03

0,049±0,003

20

37,8±0,5

0,83±0,03

0,083±0,003

30

41,2±0,3

1,25±0,02

0,157±0,004

40

34,4±0,4

1,15±0,02

0,289±0,004

80

10

29,4±0,3

0,63±0,03

0,075±0,005

20

49,6±0,4

1,08±0,02

0,107±0,003

30

53,2±0,5

1,37±0,03

0,216±0,004

40

43,4±0,4

1,29±0,03

0,423±0,003

85

10

35,0±0,5

0,82±0,02

0,087±0,003

20

55,2±0,4

1,27±0,03

0,139±0,004

30

54,1±0,4

1,43±0,03

0,243±0,003

40

42,0±0,5

1,31±0,03

0,445±0,005

Анализ экспериментальных данных (рис. 5) пока­зывает, что максимальная степень щелочного гидро­лиза сывороточных белков достигается на уровне 37,5–39 % в интервале температур 80–85 °С и про­должительности термостатирования 22–26 минут.

 

 

Рис. 5. Динамика изменения степени гидролиза сыво­роточных белков в процессе изомеризации лактозы в тво­рожной сыворотке при температурах: 1 – 75 °С; 2 – 80 °С; 3 – 85 °С

 

Снижение концентрации аминного азота и степени гидролиза белков творожной сыворотки при термостатировании в течение 30–40 минут объясня­ется взаимодействием продуктов реакции с редуци­рующими углеводами по механизму реакции Май­ара, что подтверждается снижением концентрации лактулозы и увеличением оптической плотности. Для обеспечения эффективного гидролиза сыворо­точных белков и высокого выхода лактулозы при изомеризации лактозы в творожной сыворотке необ­ходимо лимитировать продолжительность термоста­тирования при температуре 80–85 °С.

Также рассмотрены закономерности щелоч­ного гидролиза белков в следующих видах сырья: концентрированная творожная сыворотка с массовой долей сухих веществ 20 и 25 %; натуральная под­сырная сыворотка, подвергнутая анионообменной обработке на ионите АВ-17-8чС; подсырная сыво­ротка, подвергнутая электродиализной обработке, с уровнем деминерализации 75 %. Спецификой ще­лочного гидролиза белков в концентрированной сы­воротке является более интенсивное образование по­бочных продуктов при длительном термостатирова­нии реакционной смеси.

При этом следует отметить уменьшение максимальной степени гидролиза белка в видах лак­тозосодержащего сырья, подвергнутых электромем­бранной обработке, по сравнению с натуральной мо­лочной сывороткой при температуре изомеризации лактозы в лактулозу 80 °С (для натуральной творож­ной сыворотки – 36 %; для подсырной сыворотки, подвергнутой анионообменной обработке, – 32,2 %; для деминерализованной подсырной сыворотки – 28,9 %). Отмеченные различия могут быть объяс­нены потерями азотистых веществ в ходе анионооб­менной и электромембранной обработки молочного сырья.

Изучен процесс ферментативного гидролиза сывороточных белков в деминерализованной под­сырной сыворотке, подвергнутой изомеризации лак­тозы в лактулозу. В качестве объекта исследований использовалась подсырная сыворотка с уровнем де­минерализации 75 %. Деминерализованная и изоме­ризованная сыворотка подвергалась нейтрализации раствором лимонной кислоты для предотвращения автокаталитического распада лактулозы до значений рН 7,5; 8,0; 8,5. Нейтрализованная сыворотка охлаж­далась до оптимальной температуры действия пан­креатина 50 °С. Анализ экспериментальных данных (рис. 6) показывает, что максимальные значения сте­пени гидролиза белка достигаются при рН 8,5 и про­должительности ферментации 17–18 часов.

 

 

Рис. 6. Зависимость степени гидролиза белка от про­должительности ферментации при рН субстрата: 1 – 7,5;       2 – 8,0; 3 – 8,5

 

Исследовано изменение углеводного состава сырья и образование продуктов реакции Майара в процессе ферментативного гидролиза белков подсырной сыворотки. В исходных образцах и по завершении гидролиза белка были определены значения массовой доли лактулозы (рис. 7) и оптической плотности фильтрата подсырной сыворотки (рис. 8).

 

 

Рис. 7. Массовая доля лактулозы в деминерализован­ной сыворотке: 1 – контроль; 2, 3, 4 – по завершении фер­ментативного гидролиза белка при рН 7,5; 8,0; 8,5 соответ­ственно

 

 

Рис. 8. Оптическая плотность деминерализованной сы­воротки (контрольных образцов и по завершении фермен­тативного гидролиза белка)

 

Сопоставление экспериментальных данных по­зволило рекомендовать применительно к технологии бифидогенных концентратов обработку деминерали­зованной сыворотки с лактозой, частично изомери­зованной в лактулозу препаратом панкреатина при температуре 50 °С, рН среды 8,0 и продолжительно­сти ферментации 17 часов. Указанные параметры технологического процесса обеспечивают управляе­мый протеолиз сывороточных белков (степень гид­ролиза на уровне 60 %) при минимальной деграда­ции лактулозы и лимитировании реакций меланои­динообразования.

В целом результаты исследований подтвердили возможность регулирования функциональных и тех­нологических свойств концентратов на основе мо­лочной сыворотки и ее технологических фракций, содержащих лактулозу и продукты гидролиза лак­тозы, за счет управляемого обогащения белками мо­лочного сырья и их гидролизатами.

Анализ результатов исследований процессов изомеризации лактозы, химического и ферментатив­ного гидролиза сывороточных белков подтвердил целесообразность реализации данных процессов при использовании в качестве сырья различных видов молочной сыворотки. Ассортимент пребиотических концентратов в перспективе может быть представлен 14 линейками продуктов с регулируемым углевод­ным, минеральным и аминокислотным составом, включающими более 60 наименований целевых про­дуктов.

В качестве примера в табл. 3 представлена вы­борка по бифидогенным концентратам, обогащен­ным лактулозой. Ассортиментное разнообразие обеспечивается за счет использования различных ви­дов лактозосодержащего сырья (подсырная, творож­ная, казеиновая сыворотка), получения различных готовых форм (концентрированные, сгущенные, су­хие), управляемого обогащения незаменимыми нут­риентами и ростовыми факторами бифидобактерий (белки молочного сырья, их гидролизаты, бифидо­генные олигосахариды), применения альтернативных способов изомеризации лактозы в лактулозу (ком­плексные щелочные реагенты, электрохимическая активация, анионообмен).

Таблица 3

 

Ассортимент бифидогенных концентратов

с регулируемым углеводным, аминокислотным

и минеральным составом

 

Группа концентратов

Виды концентратов

Концентраты с регулируемым углеводным составом

Бифидогенные концентраты на основе натуральной молоч­ной сыворотки

КБУ-20, КБУ-40, КБУ-65 (с массовой долей сухих веществ 20, 40, 65 % соответ­ственно)

КБУ-Рс, КБУ-Пл (су­хие распылительной и пленочной сушки)

Концентраты с регулируемым углеводным

и минеральным составом

Бифидогенные концентраты на основе молочной сыво­ротки, деминерализованной методом электродиализа

КБУ-ЭД-20,

КБУ-ЭД-40,

КБУ-ЭД-65

КБУ-ЭД-Рс

Бифидогенные концентраты на основе безреагентной изо­меризации лактозы в молоч­ной сыворотке, подвергнутой анионообменной обработке

КБУ-Ан-40,

КБУ-Ан-65

КБУ-Ан-Рс

Концентраты с регулируемым углеводным

и аминокислотным составом

Бифидогенные концентраты, обогащенные белками молока, на основе натуральной молоч­ной сыворотки и обезжирен­ного молока

«Лактобел»

«Лакт-ОН»

Бифидогенные концентраты, обогащенные гидролизатами белков молока

ГМБ-20,

ГМБ-40,

ГМБ-65

ГМБ-Рс, ГМБ-Пл

Концентраты с регулируемым углеводным,

минеральным и аминокислотным составом

Бифидогенные концентраты, обогащенные белками молока, на основе молочной сыво­ротки, деминерализованной методом электродиализа, и обезжиренного молока

«Лактобел-ЭД»

«Лакт-ОН-ЭД»

Бифидогенные концентраты, обогащенные лактулозой, бел­ками молока и их гидролиза­тами

КБУ-ГМБ-ЭД

«Лактобел-ГМБ-ЭД»

 

В табл. 4 представлены данные о составе и физико-химических показателях сухих бифидоген­ных концентратов из вторичного молочного сырья, получивших наиболее широкое промышленное вне­дрение.

 

Таблица 4

 

Состав и физико-химические показатели

бифидогенных концентратов

 

Показатель

Норма для продуктов

КБУ-Рс

КБУ-Ан-Рс

«Лакто­бел»

«Лакто­бел-ЭД»

ГМБ-Рс

Массовая доля су­хих веществ, %, не менее

95,0

95,0

95,0

95,0

95,0

в т.ч.: лактулозы, %, не менее

15,0

20,0

10,0

12,5

15,0

лактозы, %,

не менее

45,0

50,0

45,0

45,0

40,0

белка, %,

не менее

10,0

8,0

22,5

23,5

15,0

золы, %,

не более

15,0

4,5

10,0

8,0

15,0

 

Кислотность, оТ, не более*

20,0

20,0

25,0

10,0

20,0

Индекс раствори­мости, см3 сырого осадка, не более

1,5

1,5

1,0

0,5

1,5

*Показатель нормируется для восстановленных продуктов с массовой долей сухих веществ: КБУ-Рс, КБУ-Ан-Рс, ГМБ-Рс – 6,5 %; «Лактобел», «Лактобел-ЭД» – 8,5 %.

 

Высокие функциональные и органолептические показатели, питательная и биологическая ценность пребиотических концентратов обусловливают пер­спективность их использования при создании новых видов пищевых продуктов и кормовых средств с би­фидогенными свойствами, а также питательных сред для культивирования бифидобактерий и молочно­кислых микроорганизмов.

Результаты технико-экономических расчетов и маркетинговых исследований подтвердили высокий экономический потенциал организации производства пребиотических концентратов. При реализации ва­рианта внедрения на базе действующих цехов сгу­щения и сушки, переработки вторичного молочного сырья предприятий молочной промышленности обеспечиваются минимальные капитальные затраты на установку специфического оборудования.

Список литературы

1. Список литературы отсутствует


Войти или Создать
* Забыли пароль?