Закономерности концентрирования сывороточных белков

14-05-2014, 10:57

Проведенные исследования по оптимизации сочетаний мембранных технологических процессов с целью получения сывороточных концентратов с регулируемым белково-углеводным и минеральным составом выявили следующие возможные рациональные схемы технологических процессов:
— обратный осмос — ультрафильтрация;
— обратный осмос — электродиализ — ультрафильтрация;
— ультрафильтрация — электродиализ.
Концентрирование подсырной сыворотки обратным осмосом при температуре 28-30 °С и давлении 2,6-3,2 МПа позволяет получить продукт следующего состава (табл. 7.3).

Дальнейшее проведение процесса приводит к высокой концентрационной поляризации на поверхности мембран вследствие вязкостных и гидродинамических условий истечения продукта (табл. 7.4).

Решение задачи сочетания технологических схем определяется выявлением эффективного уровня концентрирования в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации, а также оценкой параметров циркуляции растворов в электродиализной установке. Критерием оценки могут служить вязкостные характеристики концентрата (рис. 7.13) и скорость фильтрации.

Следует отметить, что увеличение вязкости происходит во всем исследуемом интервале, однако в концентратах с массовой долей сухих веществ 18,0-20,0 % значения ее резко возрастают. При концентрировании обратным осмосом для аналогичных значений сухих веществ вязкость является сопоставимой.
Сравнение характеристических данных вязкости концентратов, полученных при обратном осмосе и ультрафильтрации с массовой долей сухих веществ 20,0 %, позволяет сделать вывод о критичности дальнейшего фракционирования их ультрафильтрацией с целью получения высокобелковых продуктов.
Изучены особенности мембранного фракционирования белков молочной сыворотки в процессе ультрафильтрации без предконцентрирования. В результате проведенных экспериментов выявлены зависимости изменения массовых долей сухих и азотистых веществ (рис. 7.14).
Установлена эффективность концентрирования сывороточных белков методом ультрафильтрации до 55,0 % в сухом веществе (18,0 % сухих веществ).
По мере повышения фактора концентрирования происходит увеличение содержания всех основных компонентов молочной сыворотки, особенно в значительной степени азотистых веществ. Темп повышения массовой доли жира в концентрате превалирует над темпом концентрирования азотистых веществ, что обусловлено практически полной селективностью мембран по жиру. Данный факт обусловлен размерами молекул концентрируемых компонентов, в частности сывороточных белков и жировой фазы. Эквивалентные размеры последней превосходят на два-три порядка аналогичные характеристики сывороточных белков.

Увеличение абсолютного содержания лактозы в концентрате, по сравнению с исходной сывороткой, указывает на селективность мембран по отношению к этому компоненту. Несмотря на увеличение абсолютной массовой доли лактозы и золы в белковом концентрате, относительное содержание их (в пересчете на сухое вещество) уменьшается. Так, при массовой доле сухих веществ 10 и 20% массовая доля лактозы снижается на 30 и 65%, а золы на 20 и 40 %, соответственно. Содержание золы в сухом остатке белковых концентратов превышает в 2-3 раза аналогичный показатель, характерный для большинства пищевых продуктов.
Для получения концентрата сывороточных белков с массовой долей азотистых веществ 35% и 55% в сухом остатке необходимо, чтобы содержание сухих веществ в концентрате после ультрафильтрации находилось в пределах 9,7-10,3 и 17,8-18,2%, соответственно. При известной селективности мембран количественный состав УФ-концентратов будет зависеть в основном, от состава исходного сырья — белка, лактозы, жира и золы.
Установлено, что при концентрировании сывороточных белков методом ультрафильтрации часть из них непременно переходит в фильтрат в зависимости от размеров молекул и селективности мембран. Поэтому представляет особый интерес определение компонентного состава сывороточных белков с целью выявления изменений в их соотношении в процессе концентрирования и оценки полученного продукта (табл. 7.5).

В таблице приведен компонентный состав сывороточных белков при различной концентрации сухих веществ ультрафильтратов. Компоненты, обозначенные индексами 3 и 4, являются минорными и располагались после β-лактоглобулина.
В результате проведенных исследований установлено, что по мере концентрирования сухих веществ происходит увеличение всех белковых фракций в концентрате и изменение соотношения в компонентном составе сывороточных белков. Удаление части α-лактальбумина подтверждают электрофореграммы фильтрата молочной сыворотки. Это можно объяснить меньшим молекулярным весом α-лактальбумина (в сравнении с β-глобулином (1) и, тем более, иммунными глобулинами) и вероятно более компактным его строением, что приведет к частичному переносу его в фильтрат. Параметры аминокислотного состава сывороточных белковых концентратов представлены в табл. 7.6.

Анализ полученных результатов, приведенных в таблице 7.6, показал, что в процессе ультрафильтрации происходит увеличение всех представленных аминокислот и, что особенно ценно, таких незаменимых аминокислот, как лизин, изолейцин, треонин. При этом соотношение суммы заменимых аминокислот к сумме незаменимых остается практически постоянным. Из представленного общего количества аминокислот незаменимые аминокислоты (без учета триптофана) составляют до 42 %. Таким образом, сывороточные белковые концентраты являются богатым источником серосодержащих аминокислот, что особенно важно при использовании в детских, диетических и других продуктах питания. При этом массовая доля его сухих веществ в фильтрате составляет (5,4+0,2)%, массовая доля лактозы колеблется от 4,0 до 4,4 %, а небелковых азотистых веществ до 0,32 %. Очевидно, что наиболее перспективным направлением использования фильтрата является переработка его на углеводосодержащие концентраты: глюкозо-галактозные сиропы, препараты лактулозы и др.
Обобщая результаты экспериментов по концентрированию белков из молочной сыворотки, следует заметить, что в процессе ультрафильтрации можно получить продукт с широким интервалом азотистых веществ (до экономически оправданных пределов) и с необходимым соотношением «сывороточные белки — лактоза».
В процессе ультрафильтрации сыворотки наблюдается абсолютное увеличение массовой доли макро- и микроэлементов в концентрате (табл. 7.7), наибольшей степенью концентрирования из которых обладают кальций, фосфор и магний. Это объясняется тем, что их значительная часть связана с молекулами сывороточных белков.

Для нормализации УФ-концентратов по минеральному составу возникает необходимость в его частичной деминерализации. Как было показано, наиболее рациональным методом деминерализации сывороточных белковых концентратов является электродиализ с ионоселективными мембранами.