Для обеспечения безопасности молочных про- дуктов, производимых в экологически неблаго- приятных регионах, большое внимание уделяется применению цеолита для переработки молочного сырья с повышенным содержанием токсичных эле- ментов. Перспективность использования цеолита в пищевой промышленности объясняется его способно- стью проявлять молекулярно-ситовые свойства, т. е. тенденцию к избирательному поглощению одних ионов или молекул перед другими в процессах адсо- рбции и ионного обмена [1, 2]. Уникальные свойства
ленности. Наряду с этим, опубликовано незначитель- ное количество научно-исследовательских работ, направленных на использование природных цеолитов для очистки молока от токсичных элементов.
Учитывая актуальность применения цеолита в пищевой промышленности, в результате собственных исследований разработан технологический способ понижения токсичных элементов в молочном сырье с применением цеолита Тарбагатайского место- рождения Восточно-Казахстанской области. В цео- лите данного месторождения установлено до 77 %
клиноптилолита и высокое соотношение SiO /Al O
2 2 3
цеолита нашли широкое применение в пищевой
промышленности для очистки питьевой воды, алко- гольных и безалкогольных напитков, соков, чая, пива, вина, растительных масел и др. от белков, остатков пестицидов, токсинов, ионов тяжелых металлов, изо- топов радионуклидов и других ксенобиотиков [3–5]. Так, для очистки растительного масла от соапстока и адсорбции красящих веществ доказана возможность применения цеолита в качестве фильтрующей перего- родки на вертикальных конических центрифугах [6]. Для очистки растительного масла от негидратируе- мых фосфатидов проведена модернизация сепаратора СЦ-3 с применением природного цеолита [7]. Для по- вышения вкусовых качеств водки предложен способ очистки спиртовых и водно-спиртовых растворов от летучих примесей с применением шунгита и клиноп- тилолита [8, 9].
В настоящее время известно несколько работ, посвященных применению цеолита в качестве со- рбционного материала для понижения содержания токсичных элементов в молочном сырье. Так, для очистки молока от радионуклидов разработано устройство с адсорбционной колонкой, заполненной сорбентами. В качестве сорбента используется шивы- ртуинский цеолит [10]. Для понижения содержания цезия в молоке применяется ионообменная установка РЗ-ОУИ с двумя ионообменными колонками, в ка- ждую из которых загружается цеолит. После очистки содержание радиоцезия в молоке уменьшилось в 10 раз (и более) в сравнении с его исходным уровнем. Установлено, что ионообменная дезактивация цеоли- том незначительно повлияла на основные физико-хи- мические показатели молока [11]. С применением цеолита Сокирницкого месторождения разработана фильтрационная установка для понижения содержа- ния цезия и стронция в молоке [12]. На основе ана- лиза литературных данных установлено, что цеолиты нашли разностороннее применение во всех отраслях промышленности, в том числе и в пищевой промыш-
[3, 6]. Для апробации технологических режимов при-
менения цеолита для очистки молока создан экспери- ментальный стенд для фильтрации молочного сырья. Основным структурным элементом эксперименталь- ного стенда является разборный фильтр, в который помещается цеолит.
Основная цель работы – исследование влияния технологических параметров фильтрации с примене- нием цеолита на изменение состава и свойств молоч- ного сырья.
Объекты и методы исследования
Для фильтрации в пастбищный период было отобрано молочное сырье из частных хозяйств
10 населенных пунктов трех районов (Абайско- го, Аягозского и Уржарского), расположенных в юго-восточном направлении со стороны бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полиго- на. Перед фильтрацией образцы молока, полученные из разных регионов, были смешаны. Для проведения комплексного экспериментального исследования технологического процесса фильтрации молока с применением цеолита была разработана технологи- ческая схема. В соответствии с технологической схе- мой молоко пропускали через фильтр под давлением с разной частотой оборотов насоса от 100 об/мин до 400 об/мин.
В работе были проведены экспериментальные исследования влияния технологических параметров фильтрации с применением цеолитов на изменение содержания токсичных элементов в молочном сырье. В результате проведенных исследований установле- но, что наибольшее изменение токсичных элементов (радиоактивных элементов, тяжелых металлов) на- блюдается при фильтрации молока под давлением с частотой оборотов насоса 300–400 об/мин.
На первом этапе, согласно разработанной техно- логической схеме, молоко пропускали через фильтр, содержащий 100 г цеолита, под давлением с частотой
Смирнова И. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 245–252
Таблица 1. Изменение содержания минеральных веществ в молоке в процессе фильтрации с частотой оборотов насоса 300 об/мин
Table 1. Changes in the content of minerals in the milk during the filtration at 300 rpm
|
Молочное сырье |
Содержание химических элементов, мг/100 г |
||||||||
|
Na |
К |
Са |
Mg |
Р |
Fe |
Cu |
Zn |
Mn |
|
|
До фильтрации |
57 |
146 |
128,9 |
12,6 |
91,2 |
0,056 |
0,012 |
0,32 |
0,004 |
|
После фильтрации через 100 г Ц* |
58 |
146 |
129,6 |
12,6 |
91,0 |
0,053 |
0,012 |
0,31 |
0,004 |
|
После фильтрации через 150 г Ц* |
62 |
149 |
131,5 |
12,8 |
90,6 |
0,051 |
0,011 |
0,26 |
0,004 |
|
После фильтрации через 200 г Ц* |
65 |
153 |
132,8 |
13,1 |
90,0 |
0,049 |
0,011 |
0,21 |
0,003 |
оборотов насоса от 300 об/мин до 400 об/мин. На вто- ром этапе молоко пропускали через фильтр, содержа- щий 150 г цеолита, при тех же условиях. На третьем этапе фильтрацию молока проводили на фильтре, со- держащий 200 г цеолита. Учитывая, что фильтрация молока с применением цеолита основана на процессе экзотермической адсорбции, экспериментальные исследования проведены при температуре 18–20 °С, т. к. она считается наиболее оптимальной температу- рой адсорбции по данным В. С. Комарова.
На основе анализа литературных источников установлено, что одной из характерных особенно- стей цеолитов является ионный обмен. Вместе с тем процесс сорбции зависит от соответствия входных отверстий цеолитного каркаса и размера замещаю- щих ионов. Цеолит способен проявлять сорбционные свойства в отношении минеральных веществ и со- единений, имеющих диаметр молекул меньше диа- метра входных «окон» пористой структуры цеолита [13–16]. Также российскими учеными, на основании исследования кинетики сорбции витамина Е на кли- ноптилолитовом туфе, установлено, что данный при- родный минерал сорбирует витамин Е [17]. В связи с этим было исследовано изменение содержания вита- минов и минеральных веществ, органолептических и физико-химических показателей молочного сырья в процессе фильтрации с применением цеолита в каче- стве сорбционно-фильтрующего материала.
Исследования по содержанию минеральных веществ в молоке проведены на жидко-плаз- менном спектрометре «VARIAN 820-IGPMS» (фирма «VARIAN», Австралия). Для подготовки аналитических образцов используется метод авто- клавного разложения в две стадии. Метод основан на минерализации образцов проб в герметично замкнутом объеме аналитического автоклава под воздействием повышенной температуры и давления. Для определения витаминов применены колориме-
трический и спектрофотометрический методы. Для исследования физико-химических показателей моло- ка были применены стандартные методы.
Результаты и их обсуждение
На первом этапе исследовано изменение содер- жания минеральных веществ в молочном сырье в процессе фильтрации. Результаты исследования представлены в таблицах 1 и 2.
Как видно из таблицы 1, в молоке в процессе фильтрации незначительно увеличивается содер- жание катионов натрия, калия, кальция и магния. Увеличение содержания данных катионов в молоке в процессе фильтрации, по-видимому, связано с тем, что катионы натрия, калия, кальция и магния отно- сятся к ионообменным катионам цеолита. Содержа- ние остальных исследуемых минеральных веществ в молоке после фильтрации изменяется незначительно.
Как видно из таблицы 2, содержание исследу- емых минеральных веществ в молоке в процессе фильтрации при увеличении частоты оборотов насоса изменяется больше, чем при фильтрации со скоростью оборотов насоса 300 об/мин. Наблюдает- ся значительное понижение содержания отдельных минеральных веществ в молоке после фильтрации, например, ионов железа, цинка и фосфора. Содер- жание таких элементов, как натрий, калий, кальций и магния повышается. При этом содержание натрия повышается в большей степени (на 7,9 %), чем содер- жание остальных трех элементов. Содержание калия повышается на 2,7 %, кальция на 0,45 %, магния на 3,8 %. Исследованиями ряда ученых установлено, что степень обмена катиона натрия, содержащихся в цеолите, намного выше, чем степень обмена других катионов, что объясняет изменение содержания в молоке данного катиона [18–20]. Значительное из- менение содержания минеральных веществ в молоке с увеличением частоты оборотов насоса связано с повышением скорости потока жидкости и с уменьше-
Таблица 2. Изменение содержания минеральных веществ в молоке в процессе фильтрации с частотой оборотов насоса 400 об/мин
Table 2. Changes in the content of minerals in the milk during filtration at 400 rpm
|
Молочное сырье |
Содержание химических элементов, мг/100 г |
||||||||
|
Na |
К |
Са |
Mg |
Р |
Fe |
Cu |
Zn |
Mn |
|
|
До фильтрации |
57 |
146 |
128,9 |
12,6 |
91,2 |
0,056 |
0,012 |
0,32 |
0,004 |
|
После фильтрации через 100 г Ц* |
58 |
146 |
129,6 |
12,6 |
91,0 |
0,053 |
0,012 |
0,31 |
0,004 |
|
После фильтрации через 150 г Ц* |
63 |
148 |
133,3 |
12,9 |
90,1 |
0,050 |
0,01 |
0,29 |
0,004 |
|
После фильтрации через 200 г Ц* |
68 |
152 |
133,9 |
13,4 |
88,7 |
0,047 |
0,01 |
0,26 |
0,003 |
Smirnova I.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 245–252
|
Содержание витамина А, мкг/на 100 г молока |
24
|
Содержание витамина Е, мг/на 100 г молока |
0,095
23
22
0,085
21
20
300 400
Частота оборотов насоса, об/мин
до фильтрации 100 г 150 г 200 г
0,075
300 400
Частота оборотов насоса, об/мин
до фильтрации 100 г 150 г 200 г
Рисунок 1. Изменение содержания витамина А в молоке после фильтрации
Figure 1. Changes in the content of vitamin A in the milk after filtration
Рисунок 3. Изменение содержания витамина Е в молоке после фильтрации
Figure 3. Changes in the content of vitamin E in the milk after filtration
|
Содержание витамина D, мкг/на 100 г молока |
0,04
|
Содержание витамина С, мг/на 100 г молока |
1,2
0,03
0,8
0,02
0,01
0,4
0,00
300 400
Частота оборотов насоса, об/мин
до фильтрации 100 г 150 г 200 г
0,0
300 400
Частота оборотов насоса, об/мин
до фильтрации 100 г 150 г 200 г
Рисунок 2. Изменение содержания витамина D в молоке после фильтрации
Figure 2. Changes in the content of vitamin D in the milk after filtration
Рисунок 4. Изменение содержания витамина С в молоке после фильтрации
Figure 4. Changes in the content of vitamin C in the milk after filtration
нием диффузионного сопротивления при прохожде- нии катионов с меньшим диаметром в окна пористой структуры цеолита, что приводит к повышению ак- тивности данных катионов.
На следующем этапе исследовано изменение витаминов (А, D, Е и С) в процессе фильтрации молока. Результаты исследования представлены на рисунках 1–4.
На основании проведенных исследований уста- новлено, что процесс фильтрации при различных технологических параметрах с применением цеолита не повлиял на изменение содержания в молоке ви- таминов D и С. Как видно из рисунков 1 и 3, с уве- личением частоты оборотов насоса до 400 об/мин и
с увеличением количества цеолита в фильтрах от 150 до 200 г содержание витаминов А и Е в молоке после фильтрации понижается. Так, при фильтрации молока через фильтр, содержащий 150 г цеолита, содержание витамина А понижается с 24 до 23,9 мкг/ на 100 л молока. Содержание витамина Е понижается с 0,097 до 0,095 мг/на 100 л молока. С увеличением количества цеолита до 200 г в фильтрах содержание витамина А понижается с 24 до 23,8 мкг/на 100 л мо- лока. Содержание витамина Е понижается с 0,097 до 0,092 мг/на 100 л молока.
Результаты исследования изменения физико-хи- мических показателей молока в процессе фильтрации представлены в таблицах 3 и 4.
Смирнова И. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 245–252
Как видно из таблицы 3, в процессе фильтрации мо- лока на экспериментальном стенде с частотой оборотов насоса 300 об/мин титруемая кислотность молочного
Таблица 3. Физико-химические показатели молока в процессе фильтрациис частотой оборотов насоса 300 об/мин
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
сырья изменилась до 18 °Т. Это связано с незначитель- ным изменением состава фосфорно-кислых солей, вли- яющих на титруемую кислотность молока.
Повышение частоты оборотов насоса до
400 об/мин в процессе фильтрации с содержанием цеолита в фильтрах 150 г и 200 г приводит к пониже- нию титруемой кислотности молока до 15 °Т (табл. 4). Понижение титруемой кислотности молока можно объяснить значительным изменением минерального состава в молочном сырье в процессе фильтрации. Это привело к изменению состава кислых солей в мо- локе. Как видно из таблиц 3 и 4, остальные показате- ли физико-химических свойств молока не изменяются в процессе фильтрации. На следующем этапе исследо- вано изменение органолептических показателей моло- ка в процессе фильтрации. Результаты исследования представлены в таблицах 5 и 6.
На основании проведенных исследований установ- лено, что в процессе фильтрации молока на экспери- ментальном стенде с применением цеолита в качестве
Таблица 4. Физико-химические показатели молока в процессе фильтрациис частотой оборотов насоса 400 об/мин
Table 4. Physical and chemical properties of milk during filtration at 400 rpm
|
Наименование показателя |
Норма |
|||
|
Молоко до фильтрации |
Молоко после фильтрации в фильтрах с содержанием цеолита |
|||
|
100 г |
150 г |
200 г |
||
|
Кислотность, ºТ |
19 |
17 |
15 |
|
|
Плотность, г/см3 |
1,028 |
1,028 |
1,028 |
|
|
Массовая доля жира, % |
5,5 |
5,5 |
5,5 |
|
|
Массовая доля сухих веществ, % |
12 |
12 |
12 |
|
|
Массовая доля белка, % |
2,89 |
2,89 |
2,89 |
|
Таблица 5. Органолептические показатели молока в процессе фильтрации при частоте оборотов насоса 300 об/мин
Table 5. Sensory properties of milk during filtration at 300 rpm
|
Наименование показателя |
Характеристика |
|||
|
Молоко до фильтрации |
Молоко после фильтрации в фильтрах с содержанием цеолита |
|||
|
100 г |
150 г |
200 г |
||
|
Консистенция |
Однородная жидкость без осадка и хлопьев |
Однородная жидкость без осадка и хлопьев |
||
|
Вкус и запах |
Чистые, без посторонних запахов и привкусов, не свойственных свежему натуральному молоку |
Чистые, без посторонних запахов и привкусов, не свойственных свежему натуральному молоку |
||
|
Цвет |
Белый |
Белый |
||
Таблица 6. Органолептические показатели молока в процессе фильтрации при частоте оборотов насоса 400 об/мин
Table 6. Sensory properties of milk during filtration at 300 rpm
|
Наименование показателя |
Характеристика |
|||
|
Молоко до фильтрации |
Молоко после фильтрации в фильтрах с содержанием цеолита |
|||
|
100 г |
150 г |
200 г |
||
|
Консистенция |
Однородная жидкость без осадка и хлопьев |
Однородная жидкость без осадка и хлопьев |
||
|
Вкус и запах |
Чистые, без посторонних запахов и привкусов, не свойственных свежему натуральному молоку |
Чистые, без посторонних запахов и привкусов, не свойственных свежему натуральному молоку |
||
|
Цвет |
Белый |
Белый |
||
Smirnova I.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 245–252
сорбционно-фильтрующего материала органолепти- ческие показатели молочного сырья не изменяются.
Выводы
В результате проведенных исследований уста- новлено, что наиболее оптимальными параметрами фильтрации молока на экспериментальном фильтра- ционном стенде с применением в качестве сорбцион- но-фильтрующего материала цеолита Тарбагатайского района Восточно-Казахстанской области являются со- здание давления потока жидкости при частоте оборо- тов насоса 300 об/мин (объемная производительность насоса 10 л/мин или 600 л/час) и при содержании цео- лита в фильтрах 200 г (80 % от объема фильтра). При увеличении частоты оборотов насоса до 400 об/мин и содержании цеолита в фильтрах 150–200 г наблю- дается наиболее значительное изменение в молоке содержания минеральных веществ, витаминов А и Е,
а также понижение титруемой кислотности до 15 °Т.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование
Материалы подготовлены в рамках выполнения бюджетной программы 120 «Грантовое финанси- рование научных исследований» Министерства образования и науки Республики Казахстан по теме
«Исследование степени накопления свойственных для Семейского региона Восточно-Казахстанской области радиоактивных элементов и тяжелых ме- таллов в сырье животного и растительного проис- хождения и разработка технологического способа понижения их содержания в процессе переработки исследуемого сырья».
