Глава 4. Разработка биотехнологии фракционирования молочного сырья полисахаридами

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)



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)

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 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, α-лактоальбумин, β-лактоглобулин и β-казеин. КНК, полученный в результате фракционирования, так же имеет одинаковый фракционный состав и представлен казеинами: αs, β, κ. 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

Обезжи-

ренное молоко

Ультрафильтрация

Ультрацентри-фугирование

Фракциони-рование пектином

Концен-трат

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.

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.



Рисунок 14 _ Растворимость СПФ, %


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

Плот-

ность 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.



6812410371291682.html
6812435530661981.html
6812547367338354.html
6812674193867665.html
6812776879399933.html