Биотехнологические принципы производства функциональных молочных продуктов с применением полисахаридов

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель и задачи исследований. Научная концепция Научная новизна работы Практическая значимость Апробация работы Объем и структура работы Основные положения, выносимые на защиту Краткое содержание работы Глава 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследований Глава 2. Методика выполнения работы и методы исследований Глава 3. Изучение закономерностей фракционирования молочного сырья полисахаридами Глава 5. Изучение качественных характеристик продуктов фракционирования молочного сырья 6.1. Состав, свойства, пищевая и медико-биологическая ценность КНК 6.2. Состав и медико-биологическая оценка сывороточно-полисахаридной фракции (СПФ) Глава 7. Современные подходы к переработке молока в замкнутом технологическом цикле Основные результаты и выводы Основное содержание диссертации

Подобный материал:

• Технология производства и переработки молока, 7.71kb.
• Обоснование технологии производства молока и молочных продуктов в условиях введения, 915.78kb.
• Качество мяса африканского страуса и технология функциональных пищевых продуктов, 320.35kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру по специальности 1-49 80 04 технология, 305.31kb.
• Методические рекомендации и контрольные задания по дисциплине сд 03. Технология и организация, 976.5kb.
• Совет Министров Республики Беларусь постановляет: Утвердить прилагаемые: Программу, 535.9kb.
• Тесты по теме: «Блюда из молока и молочных продуктов», 27.84kb.
• Теория и практика производства мясных продуктов биокоррегирующего действия путем системного, 837.22kb.
• Омский Государственный Аграрный Университет Факультет технологии молока и молочных, 19.47kb.
• Ехнологии, является быстрое снижение органолептических показателей при хранении из-за, 9.21kb.

На правах рукописи


Орлова Татьяна Александровна


БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОИЗВОДСТВА

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ С

ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИСАХАРИДОВ


Специальности: 05.18.04 −Технология мясных, молочных и

рыбных продуктов и холодильных производств

05.18.07 − Биотехнология пищевых продуктов


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Ставрополь – 2009


Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научные консультанты: член-корреспондент РАСХН, доктор

биологических наук, профессор

Молочников Валерий Викторович


член-корреспондент РАСХН, доктор

экономических наук, профессор

Трухачев Владимир Иванович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рябцева Светлана Андреевна


доктор технических наук, профессор

Донченко Людмила Владимировна


доктор технических наук, профессор

Полянский Константин Константинович


Ведущая организация: ФГОУ ВПО Московский государственный

университет прикладной биотехнологии (МГУПБ)


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

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


Автореферат разослан 2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент В. И. Шипулин


^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


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

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

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

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

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

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

Для достижения этой цели решали следующие основные задачи:

− изучение состояния коллоидно-дисперсной системы молока;

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

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

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

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

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

− медико-биологическая оценка фракций;

− разработка биотехнологических принципов взаимодействия фракций с пищевым сырьем;

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

^ Научная концепция

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

^ Научная новизна работы :

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

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

− получены математические зависимости, адекватно описывающие изучаемые процессы;

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

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

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

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

^ Практическая значимость

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

^ Апробация работы

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

Публикации

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

^ Объем и структура работы

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

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

^ Основные положения, выносимые на защиту:

− концепция взаимодействия дисперсной системы молока с растворами полисахаридов;

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

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

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

^ Краткое содержание работы

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

^ Глава 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследований

Рассмотрены и систематизированы данные о строении и свойствах казеинов и сывороточных белков. Дана характеристика коллоидно-дисперсной системы молока. Приведена характеристика молочного сырья как объекта исследований для фракционирования полисахаридами. Показаны современные подходы к получению растворимых белковых концентратов. Определены виды полисахаридов для использования в биотехнологии фракционирования молока. На основании анализа состояния проблемы определены научно-технические предпосылки и направления ее решения, сформулированы задачи собственных исследований.

^ Глава 2. Методика выполнения работы и методы исследований

Экспериментальную часть работы выполнена в лабораториях Всесоюзного НИИ комплексного использования молочного сырья (ВНИИКИМ) и на кафедре ТП и ПСХП СтГАУ . Работа выполнялась в рамках тематического плана ВНИИКИМ (позднее НИИКИМ), СтГАУ по государственной тематике, отраслевым планам, хозяйственным договорам и поисковым исследованиям в период с 1981−2008 г. Часть исследований проводили в творческом сотрудничестве с ИНЭОС, НИИ Химии СГУ, СвердНИИХИММАШ, ВНИИХТ, МТИПП/ПНИЛ биотехнологии пищевых продуктов. Отработка технологических параметров, производственные испытания, организация технологического процесса переработки молочного сырья с применением полисахаридов проводились на экспериментальном биотехнологическом заводе ВНИИКИМ и в промышленных условиях на предприятиях отрасли

Экспериментальную часть работы выполняли в подразделениях института на лабораторных установках и стендах – модулях, смонтированных на экспериментальном биотехнологическом заводе (ЭБТЗ) ВНИИКИМ. Отработку технологических параметров, производственные испытания, организацию выпуска продукции проводили на базе ВНИИКИМ и предприятиях молочной отрасли (Раменском молкомбинате, молочном комбинате «Ставропольский», Новочеркасском ГМЗ, Малояраславском маслосырзаволе, молкомбинатах в г. Осиповичи, г. Брест, г. Вильнюс, г. Каунас и др. предприятиях).

Схема проведения исследований приведена на рисунке 1.

Объектами исследований служили: цельное и обезжиренное коровье молоко, полученные из них нормализованные смеси, полисахариды различных видов: пектин (яблочный, цитрусовый), Na-карбоксиметилцеллюлоза (Nа-КМЦ), микробные полисахариды; продукты фракционирования молочного сырья полисахаридами − концентрат натурального казеина (КНК) в натуральном и сухом виде, сывороточно-полисахаридная фаза (СПФ) в натуральном и сгущенном виде. Молочное сырье было получено в производственных условиях Ставропольского молочного комбината или фермерских хозяйств. Фракционирование молочного сырья полисахаридами проводили в поле гравитационных и центробежных сил. В качестве контрольных образцов были взяты казеин по Гаммерстену, ККФК, полученный ультрацентрифугированием, казеинат натрия и молочная сыворотка.

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



Рисунок 1 − Схема проведения исследований

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

^ Глава 3. Изучение закономерностей фракционирования молочного сырья полисахаридами

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

Один и тот же полимер, вводимый в биосистему может быть стабилизатором в зависимости от концентрации и условий введения и флокулянтом. Как правило, малые добавки ВМС приводят к дестабилизации агрегативной и седиметационной устойчивости дисперсных систем. Биологические объекты представляют собой лиофильные системы. Для них характерно сильное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсной средой. Адсорбционные слои гидрофильных молекул обуславливают высокую агрегативную устойчивости биоколлоидов.

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

Явление несовместимости белков и полисахаридов в водных средах положенное в основу фракционирования молочного сырья полисахаридами изложено в работах, проведенных в ИНЭОС АН СССР, отечественной и зарубежной литературе. Результаты исследований совместимости белков и полисахаридов различными авторами рассматриваются по-разному. Так, В. Б. Толстогузовым, Ю. А. Антоновым условия несовместимости были сформулированы как исключение возможности комплексообразования между белком и полисахаридом и усиление самоассоциации макромолекулярных компонентов системы. Однако до сих пор недостаточно освещён вопрос природы этого явления. В. Б. Толстогузов, пионер исследований в России, называл происходящий процесс безмембранным обратным осмосом. В наших исследованиях мы больше склоняемся охарактеризовать его как фракционирование высокомолекулярных компонентов в результате вытеснительной флокуляции. Для описания данного явления также может быть использован термин биомембранное разделение, примененный А. А. Храмцовым. При этом раствор полисахарида рассматривается в качестве жидкой биомембраны, через которую происходит отделение казеин-кальций-фосфатного комплекса (ККФК), содержащегося в молоке, от сывороточной фракции, которая становится при этом сывороточно-полисахаридной.

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

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


Таблица 1 ^_ Основные характеристики пектинов

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

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

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

Интенсивность процесса растворения и качество водного раствора пектина определяет комплекс гидродинамических, физико-химических и технологических показателей, на которые накладываются определённые ограничения. Наилучшим растворителем для пектина, как показали проведённые исследования, и технологические разработки является вода.

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

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





Рисунок 2 − Схема фракционирования молочного сырья полисахаридами



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

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



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


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

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

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

Была установлена зависимость между степенью этерификации и разделяющей способностью пектинов. При степени этерификации 70–75% наблюдалась хорошая разделяемость, а на уровне 30–35% фракциогнирование не происходило. При степени этерификации 55±5 % фракционирование обеспечивалось только в центробежном поле. В результате были сформулированы требования к пектинам для фракционирования молочного сырья:

• Степень этерификации 70–75 %
  
• Содержание полиуронидов 60–70 %
  
• Молекулярная масса 20–30 кД
  
• Студнеобразующая способность 150–300°ТБ
  

Выявлены закономерности биотехнологии фракционирования обезжиренного молока раствором пектина и концентрирование ККФК под влиянием ряда технологических факторов: х_{1 −} концентрации пектина в системе ( С_п 0,35−0.95 %); х_2–−температуры тепловой обработки молока ( t_том 35−115 °С); х₃ – кислотности (12−24 °Т); х₄ – температуры разделения (t_р 1−41 °С).

В основу фракционирования молочного сырья положены оптимальные сочетания технологических факторов, позволяющие в известных пределах регулировать и контролировать разделение смеси обезжиренного молока и пектина на две фазы и концентрирование казеинового комплекса в течение определённого времени, что обуславливает получение фракций (КНК и СПФ) с требуемыми свойствами и стабильными характеристиками.

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

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

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



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


Оптимальные технологические параметры фракционирования смеси и получения КНК:

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

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

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

− температура разделения системы ^_ до 10 °С.

Функции отклика при оптимальных параметрах фракционирования смеси имеют следующие значения

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

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

− У₃ − выход КНК ^_ 15,5-14,5 %;

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

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

Определенный интерес имеет изучение процесса фракционирования других видов молочного сырья. Установлены закономерности фракционирования восстановленного обезжиренного молока, сгущенного обезжиренного молока, цельного и нормализованного молока (рис.6, 7).




Рисунок 6 – Характеристика продуктов фракционирования восстановленного обезжиренного молока


Рисунок 7 – Характеристика продуктов фракционирования сгущенного обезжиренного молока


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

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




Рисунок 8 – Характеристика продуктов фракционирования цельного молока


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

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

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

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