Изомеризация лактозы в лактулозу на ионитах

14-05-2014, 17:03

Реализация концепции проф. С.А. Рябцевой по использованию анионообменной обработки лактозосодержащих растворов с целью синтеза лактулозы проведена в системных работах нашего творческого коллектива.
С.В. Лодыгина изучала статику и кинетику анионообменной обработки растворов лактозы и творожной сыворотки. Полученные результаты приведены в табл. 13.11.

Наиболее эффективная деминерализация творожной сыворотки достигается при соотношении объемов твердой и жидкой фаз 1:3 в интервале температур 40-50 °С, что можно объяснить удалением анионов молочной сыворотки, в первую очередь, хлорид-ионов. В то же время, с ростом температуры и уменьшением количества обрабатываемого сырья на единицу объема ионита значительно увеличиваются общие потери сухих веществ творожной сыворотки (рис. 13.13). С целью оптимизации параметров анионообменной обработки творожной сыворотки был реализован униформ-ротатабельный план полного трехфакторного эксперимента (табл. 13.12).

По результатам обработки экспериментальных данных получена математическая модель в виде уравнения регрессии, адекватно описывающего исследуемый процесс:

где X1 — температура анионообменной обработки, °С;
X2 — отношение объемов твердой и жидкой фаз;
X3 — продолжительность анионообменной обработки, мин.
Сечения поверхности отклика выходного параметра Y1 (pH творожной сыворотки после анионообменной обработки) при фиксированном значении одного из входных факторов (X1=0, X2=0, X3=0) представлены на рис. 13.14.
Анализ уравнения регрессии (13.2) и графических моделей процесса анионообменной обработки творожной сыворотки позволил установить оптимальные параметры процесса, соблюдение которых обеспечивает достижение значений pH сыворотки после анионообменной обработки на уровне 11,1-11,3:
— температура процесса (40 ± 5) °С;
— отношение объемов «ионит - сыворотка» (1:3,3/1:4);
— продолжительность анионообменной обработки (74 ± 7) мин.

Полученные данные подтвердили возможность использования анионитов AB-17-8 ЧС и ЭДЭ-10 П в безреагентной технологии концентратов лактулозы как на основе молочного сахара, так и молочного белково-углеводного сырья — творожной сыворотки. Дополнительными преимуществами использования анионообменных смол при разработке безреагентного способа изомеризации лактозы в лактулозу, выявленными в рамках экспериментальных исследований, являются смещение мутаротационного равновесия аномеров лактозы в сторону более реакционно способной p-формы и частичная деминерализация сырья при обработке на ионитах.
Для разработки математической модели процесса изомеризации лактозы в лактулозу в творожной сыворотке, подвергнутой анионообменной обработке, и установления его оптимальных параметров был реализован полный двухфакторный эксперимент по униформ-ротатабельному плану. В качестве выходных параметров были выбраны степень изомеризации лактозы в лактулозу (F2) и значение pH сыворотки по завершении процесса (Y3). Выходной параметр Y3 позволяет оценить степень накопления продуктов распада лактулозы — изо-сахариновых кислот, дающих кислую реакцию среды. Полученные результаты приведены в табл. 13.13.
Уравнения регрессии, отражающие функциональные зависимости выходных параметров Y2 и Y3 от входных факторов приведены ниже:

где X4 — температура изомеризации, °С;
X5 — продолжительность термостатирования, мин.

Анализ полученной информации позволил определить оптимальные параметры процесса изомеризации лактозы, обеспечивающие высокий выход лактулозы (27-28% от исходной концентрации лактозы в сыворотке) при незначительном накоплении продуктов побочных реакций:
— температура (71 ± 1) °С;
— продолжительность термостатирования (34 ± 3) мин.
Полученные результаты использованы при разработке технологии концентрата лактулозы на основе анионообменной обработки лактозосодержащего сырья.
Продолжая работу С.В. Лодыгиной, А.С. Бессонов провел системные исследования по анионообменной обработке депротеинизированной подсырной сыворотки с использованием в качестве контроля растворов лактозы. Изучение закономерностей ее ионообменной обработки на смоле AB-17 ЧС в динамике с использованием реакторов идеального «смешения» (рис. 13.15) и «вытеснения» (рис. 13.16), позволили определить оптимальные параметры процесса при уровне изомеризации 32,21 %: температура 79-82 °С, время выдержки 37-42 минуты и начальном значении pH — 11,2-11,4.

Полученные результаты позволили разработать технологический регламент модифицированной питательной среды с лактулозой для культивирования бифидобактерий, а также технологии бифидогенных и синбиотических концентратов.