Инновационные технологии сухих бифидогенных концентратов на основе молочной сыворотки

14-05-2014, 20:34

Научная гипотеза о возможности получения концентратов с пребиотическими свойствами из молочного лактозосодержащего сырья основана на результатах многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых, подтверждающих бифидогенную активность лактулозы. В настоящее время наиболее эффективным и масштабируемым в промышленных условиях способом направленного синтеза лактулозы является реакция внутримолекулярной перегруппировки (L-А-трансформации) лактозы, катализируемой щелочными реагентами. Наряду с растворами молочного сахара для получения концентратов, обогащенных лактулозой, могут быть использованы различные виды лактозосодержащего молочного сырья: молочная сыворотка (подсырная, творожная, казеиновая), меласса молочного сахара-сырца и рафинированного.
Творческим коллективом кафедры прикладной биотехнологии Северо-Кавказского государственного технического университета в рамках решения комплексных задач научного направления «Технология живых систем» по полному и рациональному использованию вторичных сырьевых ресурсов молочной промышленности на протяжении ряда лет реализуются исследования по получению бифидогенных концентратов. Под термином «бифидогенные концентраты» объединяют сгущенные и сухие продукты на основе молочной сыворотки с пребиотической активностью, получаемые с использованием процессов направленной химической и биологической трансформации компонентов сырья (лактозы и сывороточных белков).
Изучены закономерности процесса изомеризации лактозы в лактулозу с использованием в качестве щелочного катализатора реакции гидроксидов кальция и натрия, щелочной фракции электрохимически активированной воды, анионообменных смол в натуральной и концентрированной молочной сыворотке (подсырной и творожной). Результаты исследований послужили основой разработки технологии бифидогенных концентратов из молочной сыворотки и продуктов ее переработки и комплекта технической документации на их производство.
По результатам исследований, направленных на повышение биологической ценности концентратов с пребиотическими свойствами, разработана технология комбинированного продукта с бифидогенными свойствами, получившего фирменное название «БУК-СОМ». Для производства концентрата используются все виды натуральной молочной сыворотки, обезжиренное молоко и соевое молоко. Разработана техническая документация на производство продукта «БУК-СОМ» двух видов: сухой концентрат распылительной сушки и продукт с промежуточной влажностью, что обеспечивает замкнутый цикл производства и экологическую чистоту разработанной технологии. Перечень сухих концентратов, вырабатываемых из/на основе молочной сыворотки приведен в табл. 16.27.

Физико-химические показатели сухих бифидогенных концентратов на основе молочной сыворотки представлены в табл. 16.28.

Технологии концентратов КБУ, «Лактобел», «БУК-СОМ» неоднократно освещались на страницах журнала «Молочная промышленность», научно-практических семинарах, проводимых НОУ ОНТЦ молочной промышленности.
В последние годы с учетом современных достижений нано- и биотехнологии наметился ряд направлений совершенствования технологии концентратов функционального назначения на основе молочной сыворотки. Применение баромембранных и электромембранных методов обработки вторичного молочного сырья открывает новые возможности совершенствования технологии бифидогенных концентратов, обогащенных лактулозой:
— получение концентратов с регулируемым минеральным составом (электродиализ, анионообмен);
— обогащение гидролизатами сывороточных белков (ультрафильтрация);
— исключение использования щелочных катализаторов реакции изомеризации лактозы за счет применения безреагентных методов регулирования pH вторичного молочного сырья (электрохимическая активация, анионообмен);
— предварительное концентрирование молочной сыворотки методом обратного осмоса. Система технологий бифидогенных концентратов на основе молочной сыворотки находится в стадии интенсивного развития, постоянно пополняясь новыми альтернативными вариантами за счет результатов фундаментальных и прикладных исследований процессов направленной физико-химической и биологической трансформации компонентов молочного сырья, баро-, электро- и биомембранной обработки. По мнению А.Д. Лодыгина, ассортимент бифидогенных (пребиотических) концентратов, обогащенных лактулозой, в перспективе может быть представлен четырьмя линейками продуктов с регулируемым углеводным, минеральным и аминокислотным составом, включающими более 20 наименований. Ассортиментное разнообразие бифидогенных концентратов обеспечивается за счет получения различных готовых форм (концентрированные, сгущенные, сухие), управляемого обогащения незаменимыми нутриентами и ростовыми факторами бифидобактерий (белки молочного и растительного сырья, их гидролизаты, бифидогенные олигосахариды), применения альтернативных способов изомеризации лактозы в лактулозу (комплексные щелочные реагенты, электрохимическая активация, анионообмен).
Перспективным направлением является получение бифидогенных концентратов с регулируемым минеральным составом на основе электромембранной обработки молочной сыворотки. Использование процесса электродиализа позволяет применить для изомеризации лактозы в лактулозу эффективный катализатор — гидроксид натрия, получить концентраты с регулируемым уровнем деминерализации и улучшенными органолептическими показателями.
Технология пищевого бифидогенного концентрата «Лактобел-ЭД. По результатам экспериментов были установлены оптимальные параметры процесса изомеризации лактозы в лактулозу в подсырной деминерализованной сыворотке:
— массовая доля сухих веществ сыворотки (20 ± 2) %;
— температура процесса (70 ± 2) °С;
— продолжительность термостатирования (30 ± 2), минут;
— уровень деминерализации (70-90) %.
Технологический процесс производства концентрата включает следующие операции:
— приемка и подготовка сырья;
— сгущение сыворотки;
— деминерализация сыворотки;
— изомеризация лактозы в деминерализованной сыворотке;
— сгущение обезжиренного молока;
— составление смеси;
— распылительная сушка концентрата;
— упаковка, маркировка и хранение.
Приемку сырья производят по массе и качеству в соответствии с требованиями действующей технической документации и гигиеническими требованиями. В случае резервирования, сыворотку и обезжиренное молоко необходимо направлять на охлаждение до температуры (6±2) °С, после чего сырье допускается хранить при указанной температуре не более 24 ч.
Сепарирование сыворотки с содержанием жира более 0,1 % и наличием казеиновой пыли рекомендуется проводить на сепараторах марки Ж5-ОХС или А1-ОХ2-С при температуре (38±2) °С. Сыворотку после сепарирования направляют в накопительный резервуар и затем на сгущение в вакуум-выпарных аппаратах любых конструкций при температуре кипения продукта (60±5) °С до массовой доли сухих веществ (22±2) %.
Деминерализацию сыворотки проводят на электродиализных установках различных конструкций для улучшения органолептических показателей, снижения массовой доли минеральных веществ в готовом продукте, уменьшения расхода щелочных катализаторов реакции изомеризации лактозы в лактулозу.
Изомеризацию лактозы в лактулозу в деминерализованной сгущенной сыворотке проводят в емкостных аппаратах из нержавеющей стали, оснащенных мешалкой и рубашкой, или в реакторах. Щелочные реагенты предварительно растворяют в небольшом количестве воды и при необходимости фильтруют. Приготовленный раствор вносят в подогретую до (70±2) °С сыворотку с целью доведения ее pH до (11±0,5), термостатируют при постоянном перемешивании в течение (30±2) мин.
Сгущение обезжиренного молока осуществляется в вакуум-выпарных аппаратах любых конструкций при температуре кипения продукта (60±5) °С до массовой доли сухих веществ 42-45%.
Стандартизацию состава сгущенной смеси осуществляют по содержанию сухих веществ в сгущенной сыворотке и сгущенном обезжиренном молоке. Процентное соотношение сгущенной сыворотки к сгущенному обезжиренному молоку должно составлять 60:40. Смесь перемешивают и направляют на сушку.
Сушку продукта осуществляют на распылительных сушилках. При сушке необходимо соблюдать следующие температурные режимы: температура воздуха на входе в сушильную камеру (175±5) °С, температура воздуха на выходе из камеры — (85±5) °С.
Продукт упаковывают в многослойные бумажные непропитанные мешки по ГОСТ 2226-88 с полиэтиленовыми мешками-вкладышами по ГОСТ 10354-82 массой нетто (25+0,2) кг. Допускается упаковка продукта в фанерно-штампованные бочки вместимостью 50 дм3 по ТУ 10-10-739-88 с полиэтиленовыми мешками-вкладышами по ГОСТ 10354-82 с герметично заделанными швами.
Технологическая линия производства пищевого бифидогенного концентрата «Лактобел-ЭД» представлена на рис. 16.33.
По результатам исследований и опытно-промышленных выработок разработана и утверждена техническая документация на производство бифидогенного концентрата «Лактобел-ЭД» техническая ТУ 9229-001-79993300-2006. Состав, физико-химические показатели и функционально-технологические свойства концентрата «Лактобел-ЭД» приведены в табл. 16.29.

Для оценки экономической эффективности внедрения разработанной технологии проводится анализ производства сухого концентрата «Лактобел-ЭД». Предлагаемая технология позволяет получить продукт высокой биологической ценности, что объясняется повышенным содержанием лактулозы, сбалансированностью состава казеина и сывороточных белков.

При внедрении технологии на базе цехов сушки предприятий молочной промышленности необходимы дополнительные капитальные затраты на установку оборудования для электродиализной обработки молочной сыворотки и изомеризации лактозы в лактулозу. Уникальные питательные и лечебно-профилактические свойства разрабатываемого концентрата обуславливают его высокую коммерческую цену, что дает возможность получения высокой прибыли, компенсирующей большую себестоимость концентрата «Лактобел-ЭД».
Расчет экономической эффективности внедрения технологии концентрата проводился для типового цеха мощностью 1000 кг готового концентрата в смену. Количество рабочих дней в году принято равным 250 при двухсменном режиме работы. Результаты расчета технико-экономических показателей приведены в табл. 16.30.

Концентрат «Лактобел-ЭД» использован сотрудниками кафедры прикладной биотехнологии Северо-Кавказского государственного технического университета (проф, И. А. Евдокимов) совместно со специалистами молочного комбината «Ставропольский» (канд. техн. наук А. С. Гришина) при разработке технологии кисломолочных напитков с синбиотическими свойствами «Кремола» и «Ацилак». Сотрудниками кафедры технологии мяса и консервирования Северо-Кавказского государственного технического университета (зав. кафедрой С. И. Постников, канд. техн. наук В. В. Марченко) разработаны технологии новых видов колбасных изделий функционального назначения, обогащенных концентратом «Лактобел-ЭД». В перспективе концентрат может быть использован в качестве заменителя сухого обезжиренного молока при разработке технологий гаммы продуктов функционального питания — кисломолочных напитков, мороженого, плавленых сыров, хлебобулочных и кондитерских изделий.
Технология молочного белково-углеводного концентрата «Лакт-ОН». На базе кафедры прикладной биотехнологии Северо-Кавказского государственного технического университета, были проведены исследования по установлению оптимальных технологических параметров получения молочного белково-углеводного концентрата «Лакт-ОН». Технология концентрата «Лакт-ОН» отличается от аналога («Лактобел-ЭД») более высоким содержанием лактулозы, а также наличием гидролизатов казеина и сывороточных белков.
Способ получения концентрата основан на совместном проведении процессов щелочной изомеризации лактозы в лактулозу по механизму LA-трансформации и управляемого гидролиза казеина и сывороточных белков молока. Используемые режимы обработки молочного белково-углеводного сырья позволяют получить продукт с пребиотическими свойствами за счет наличия в его составе лактулозы, гидролизатов казеина и сывороточных белков. Кроме того, регулирование соотношения сгущенного обезжиренного молока и концентрированной молочной сыворотки в смеси, а также внесение в качестве щелочного катализатора реакции изомеризации лактозы в лактулозу гидроксида кальция позволяют получить продукт с заданными функционально-технологическими свойствами.
Технологическая система производства молочного белково-углеводного концентрата предусматривает применение концентрированной молочной сыворотки, сгущенного обезжиренного молока и нейтрализующих веществ. Разброс параметров состава определяет статистический характер оптимальности режимов проведения процессов и может быть компенсирован перераспределением материальных потоков и перестройки технологических схем (структуры) в зависимости от качества и количества сырья.
Одним из основных показателей разрабатываемого концентрата является содержание лактулозы, которая образуется в результате изомеризации лактозы. На изомеризацию существенно влияют: состав и концентрация смеси; pH среды; вид и доза катализатора; температура и продолжительность термостатирования.
Технологический процесс производства молочного белково-углеводного концентра «Лакт-ОН» представлен на рис. 16.36. Разработана техническая документация на производство молочного белково-углеводного концентрата «Лакт-ОН» (СТО 02067965-004-2009).
С целью разработки рекомендаций по использованию препарата «Лакт-ОН» при производстве мясопродуктов был изучен его химический состав и функционально-технологические свойства (ФТС). Результаты исследования химического состава и ФТС препарата «Лакт-ОН» приведены в табл. 16.31.

Согласно полученным данным, препарат содержит не менее 25% молочного белка, что дает возможность его использования взамен части мясного сырья при производстве колбасных изделий. В рецептурах эмульгированных колбасных изделий с учетом адекватного содержания белка и ФТС препарата имеется возможность его предварительной гидратации в соотношении 1:1.
Следует отметить высокое содержание в препарате углеводной фракции (не менее 60%) и способность лактозы как сильного восстановителя оказывать существенное влияние на механизм трансформации нитрита натрия и понижение его остаточного содержания в готовом продукте.
Для производства сывороточного концентрата с заданным уровнем качества необходимо создание и функционирование системы, направленной на обеспечение качества сырья, подаваемого на производство, производственного процесса и готовой продукции, а также качество организации и управления на основе четкого распределения ответственности и полномочий по обеспечению качества между функциональными подразделениями предприятия и установление взаимодействия между ними. Для ее успешного функционирования необходимо организовать контроль по основным показателям в рамках конкретных производственных процедур с целью получения объективной информации и улучшения деятельности (рис. 16.35).

Система ХАССП для производства молочного белково-углеводного концентрата предусматривает разработку на предприятии системы обеспечения безопасности и управления качеством с учетом специфики, характерной для предприятий молочной промышленности. Для производства концентрата «Лакт-ОН» были выявлены опасные факторы, предупреждающие действия и определены критические точки, требующие жесткого контроля.