CC BY
28
НОВЫЕ ИДЕИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА]
УДК 663/664
Мембранные процессы как основа производства зернодрожжевого ультраконцентрата:
области применения и эффективность
В.Л. Кудряшов, канд. техн. наук, Н.С. Погоржельская, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии
К настоящему времени для переработки зерновой барды наиболее часто применяют так называемые «классические» линии [1], основанные на сочетании центрифуг (декан-торов), вакуум-выпарок и сушилок (линии ЦВС), рассчитанные на производство одного товарного продукта - кормовой сухой барды под мировым брендом DDGS (Distillers Dried Grain with Solubles).
Основной недостаток этих линий -значительные энергозатраты (составляют в себестоимости 60 % и более), обусловленные высокой
энергоемкостью используемых в них процессов удаления влаги. Так, для современной четырехкорпусной вакуум-выпарки они достигают 566 МДж/м3, а для сушилок, даже наиболее экономичных - контактных -2270 МДж/м3.
Кроме того, выпарные установки требуют создания высокопроизводительных систем оборотного водоснабжения, а также систем очистки сильнозагрязненного конденсата (БПК в зависимости от использования или не использования в них вторичного пара с сушилок составляет
Таблица 1
Химический, витаминный и микроэлементный состав барды (по данным ВНИТИ птицеводства)
Показатель Содержание, % на а.с.в. Показатель Содержание, % на а.с.в.
Влага 7,6 кальций 0,16
Сырой протеин (~к1ПП1/1 Ж МП 37,3 5 1 фосфор Д М1/1 НО УСЫ <~ППТк1' 0,49
Зола 1/тюти эи/'э 3,0 11 2 гЛ IV! И П и 1ЧИ и 1 и 1 О!, Сумма ТГМкЛ имгпо 35,54
сырая клс1ча1 ка БЭВ 35,8 В 1 ом числе лизин 1,08 1 17
Витамины: В1 (тиамин) К 1 гл 1 л <\ гл /~г\ пэоми 1 мг/кг а.с.в. 8,2 120 4 гистидин аргинин эгпэплгмилоэа 1/мгплтэ I, 1/ 1,77 2 43
В2 (рибофлавин ) В3 (пантотеновая кислота) В (хо пин) 120.4 110.5 4250 аспара1 иновая кислом треонин 2,43 1,33 1,67
Ыд уЛч./.ННПу В5 (никотиновая кислота) Р (пмполлктмм ) 370,7 15 4 серин глутаминовая кислота П ПО П 1/1 и 9,92 3,25
\-> 6 V ' ' '' Р^-'г-^^-' IV V—!' 1 П ) Н (биотин) 1 гЬлпмопэа шгпптэ 1 0,75 14 2 1 1 и 1 VI п глицин Э П Э И М И 1,4 1,52
вс (фолиевая кислот) В (кобаламин), мкг 0,44 177 П аланин цистин 0,57 1 яз
Парааминобензойновая кислота Каратиноиды 1/2,0 1,32 вал и н метионин 1,83 0,72 1 Л 1
Микроэлементы: железо мг/кг а.с.в. 1570 71П изолейцин лейцин 1,42 2,70 1 1П
ци н к марганец 2 Ю 75,2 тирозин фениланин 1,10 1,66
медь 8,4 Обменная энергия, ккал/100 г 215
1600 или 600 мгО2/л соответственно). Также недостаток линии ЦВС-она рассчитана на практически полное удаление (испарение) влаги из барды и производство всего одного сухого продукта, что обусловливает возможность возникновения проблемы ее сбыта при изменении конъюнктуры рынка (например, переизбытке недорогого зерна или самой добавки DDGS). Кроме того, кормовые достоинства добавки DDGS (из-за значительного количества клетчатки) в большей степени отвечают требованиям к кормам для крупного рогатого скота, чем наиболее востребованным в РФ кормам для птицы.
С целью устранения этих недостатков в лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) за счет использования нанофильтрации и других самых современных мембранных процессов (МП) разработана технологическая линии переработки барды с пониженными энергозатратами (рисунок). Это обусловлено тем, что энергопотребление в МП значительно ниже, чем в вакуум-выпарках: 15-25 МДж/м3 при обратном осмосе (ОО) и нанофильтрации (НФ); 100-150 МДж/м3 при ультрафильтрации
(УФ) [2].
Именно на основе МП возникают также и новые идеи как в области повышения качества пищевых продуктов и добавок, так и в области создания принципиально новых, в том числе из вторичного пищевого сырья [2].
По сравнению с распространенной «классической» линией переработки барды использование МП позволяет уменьшить расход пара в 2,8 раза, электроэнергии - на 19 %, трудно утилизируемого конденсата - в 12 раз, объем инвестиций - на 2530 %, а также производить как кормовые, так и более дорогостоящие пищевые добавки [3]. В сумме это обеспечивает сокращение срока окупаемости капвложений на 2-2,5 года.
Основная экономия энергозатрат в разработанной линии обеспечивается за счет того, что осветленная на мембранах часть барды, содержащая сухие вещества (СВ) только в растворенном сильноразбавленном виде (СВ = 3,3-3,5 %), вообще не подвергается (хотя и после выпаривания) самому энергоемкому процессу - сушке, а выводится в виде жидкого сиропообразного продукта - зернодрожжевого ультраконцентрата (ЗД-УК). Последний, как показано ниже, товар, востребованный на рынке.
Его производство осуществляется следующим образом. Исходная (на-тивная) зерновая горячая барда без охлаждения подается в декантор 1 (или, что в данном случае лучше, в экономичный шнековый сепаратор FAN PSS), где она разделяется на фу-гат (или фильтрат) и осадок, содержащий ее крупнодисперсную фазу (дробину). Дополнительное снижение энергоемкости достигается именно за счет замены декантора на сепаратор FAN PSS, который позволяет получать осадок с меньшим содержанием влаги. Использовать последний в «классических» линиях нельзя, так как в его фильтрате содержится повышенное количество взвешенных веществ, которые мешают работе выпарок, а работу УФ-установок в отработанных нами режимах, наоборот, улучшают.
Осадок (дробина) затем высушивается в подобранной (паровой или газовой) сушилке 2 с получением сухой кормовой добавки под торговой маркой DDGS. В случае переработки качественного зерна после ее дополнительного измельчения до размеров 50-80 мкм по разработанной технологии она может использоваться также в качестве пищевой, что доказано исследованиями, проведенными в ЛМТ ранее. Этой добавке нами присвоена торговая марка - добавка зернодрожжевая с повышенным содержанием пищевых волокон (добавка ЗД-ПВ) - ТУ 9182040-00334586-2003. (Санитарно-эпидемиологическое заключение Минздрава РФ № 99.02.916. Т.001258.11.03).
Освобожденный от дробины фугат (фильтрат) также без охлаждения подается на мембранную УФ-уста-новку с керамическими мембранами 4, где разделяется и концентрируется в 10-15 раз по объему с получением УФ-пермеата и УФ-концентрата. В последнем содержатся все взвешенные и высокомолекулярные вещества с ММ > 100 кДа, а также коллоиды. Далее УФ-концентрат совместно с дробиной высушивается.
Барда: ?6Q м*%т, CB=7.î%
<
Ос алок:
Í6 т.-сут. С В-JO"
Фильтрат:
УФкониетгграт:
СВ=5"о, 324 мЗ/стт
21 >г'от, CB-IÍ*
УФ-пермедт:
ЗОЗт пт. СВ=3.4° о
25.7 л-1 СВ—15%
На реализацию
НФ-ОО-пермепт:
72 ц!/сл-г,СВ-03%
108 М^стт
1Г
ИСП. В.1ПГ.1 —â
Добпвк.1 DDGS:
* 18.5 т/от.
СВ=90° t
д Úf
Ci-snn ÍJ-ÍT;
(экстрл-):
7.Í т-'сут, СВ=Р0°о
. Цеп. влага
зд-->-к
(экстра): СВ=7()о & 9.2 т/от
В ншртовое производство
Блок-схема переработки барды с производством кормовой добавки DDGS и пищевого ультраконцентрата ЗД-УК: 1 - шнековый сепаратор FAN PSS; 2 - сушилки; 4 и 5 мембранные УФ- и НФ+ОО-установки; 6 - вакуум-выпарка
Именно наличие УФ-установки 4 создает возможность производства из барды добавки пищевого качества, так как она позволяет гарантированно обеспечивать холодную «стерилизацию» УФ-пермеата перед его концентрированием, а также удалять микотоксины и другие ксенобиотики при случайном попадании некачественного зерна.
УФ-пермеат (фильтрат, прошедший через УФ-мембрану) представляет собой «кристально» прозрачную жидкость светло-желтого цвета, содержащую выделенные из барды низкомолекулярные белки, полипептиды (в том числе особо ценные -короткие), аминокислоты, витамины и другие БАВ, причем только в растворенном легкоусваиваемом виде. Высокое содержание ценных БАВ в барде подтверждают данные табл. 1.
УФ-пермеат концентрируется на разработанной специальной комбинированной НФ+ОО-установке 5 до концентрации СВ порядка 25-30 % с получением добавки ЗД-УК. В случае необходимости она дополнительно выпаривается в 6 до концентрации СВ = 65-70 % с получением ультраконцентрата ЗД-УК (экстра). Для ряда потребителей ее удобнее использовать в сухом виде. Поэтому для производства сухой добавки ЗД-УК (экстра+) в блок-схему введена сушилка 3.
Вновь разработанная и представленная на рисунке блок-схема по
сравнению с «классической» линиеи позволяет снизить расход пара более чем в 2,8 раза [3].
Ультраконцентрат ЗД-УК представляет собой темно-коричневый сироп (рН= 3,5 - 4,0), по вязкости, цвету и органолептике практически мало отличается от квасного сусла и
Ультраконцентрат ЗД-УК представляет собой темно-коричневый сироп (рН=3,5-4,0). По вязкости, цвету и органолептике он мало отличается от квасного сусла и может производиться с различной степенью концентрирования и, соответственно, различным содержанием СВ - от 25 до 70 %. Он содержит свободные аминокислоты (содержание аминного азота при 65 % СВ составляет 560 мг%), низкомолекулярные белки, полипептиды, витамины группы В, биотин, фолиевую кислоту, каратиноиды, органические кислоты (пропионовую, молочную, уксусную и др.), активаторы роста (в том числе хлебопекарных дрожжей) и другие БАВ.
ЗД-УК признан безопасной (нетоксичной) пищевой добавкой по результатам всесторонних токсикологических испытаний в НИИ питания РАМН и испытаний на цитотоксич-ность методом МИТ-24 (METABOLITE INHIBITION TEST) на клеточной культуре Hela (линия карциномы шейки матки человека) в НИИ вирусологии им. Д.И. Ивановского (ТУ 9182-27600008064-00, Гигиеническое заклю-
НОВЫЕ ИДЕИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА]
Таблица 2
Состав комплексных подкисляющих добавок с ЗД-УК
Перечень ингредиентов в составе комплексных подкисляющих добавок
Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3
1. Добавка ЗД-У с содержанием СВ=25 % 1. Добавка ЗД-У ссодержа-нием СВ=25 % 1. Добавка ЗД-У с содержанием СВ=25 %
2. Аскорбиновая кислота 2. Карбамид 2. Карбамид
3. №4)2НРО4 3. Лимонная кислота 3. Лимонная кислота
4. №4)^4 4. Бланоза (№ - КМЦ) 4. Молочная кислота (40 %-ная)
5. Карбамид 5. Бланоза (№ -КМЦ)
6. MgSO4
7. Триполифосфат
8. №С!
9. Цитрат №
10. Молочная кислота
Таблица 3
Области применения зернодрожжевого ультраконцентрата ЗД-УК в отраслях пищевой промышленности
Отрасль-потребитель
Назначение, эффективность
Хлебопечение, Аминокислотно-витаминный улуч-
производство шитель: сокращение дрожжей на
мучных конди- 25 %, улучшение органолептики, терских изделий интенсификация процесса
Производство Замена карамельного солода, напитков (квас, квасного сусла: интенсификация пиво) процесса брожения и
выращивания чистых культур, сокращение дрожжей на 30 %, повышение пищевой ценности
Обогащение аминокислотами и витаминами: недорогой краситель
Биостимулятор роста: увеличение выхода на 7 %, подъемной силы на 10 %, сокращение осмочувствительности в 2 раза
Белково-витаминный обогатитель, консервант, усилитель вкуса
Выращивание чистых культур лакто- и бифидобактерий
Экструзионные продукты
Производство
пекарских
дрожжей
Мясная
Молочная
Сведения об испытаниях ЗД-УК в составе питательных сред
Таблица 4
Место испытания Продуцент, продукт микробиосинтеза
ГНЦ по антибиотикам Продуцент проинсулина
Опытный завод ГосНИИ ХП, Московский дрож-завод «Дербеневка» Пекарские дрожжи
ВНИИ пищевой биотехнологии Низин: продуцент - L.!actis; супероксиддисмутаза (СОД): продуцент - Рг^Иегтапп
МГУПП, ВНИИ ПБ и БП, Москворецкий пивзавод Пивные дрожжи
МГУПП, ВНИИ пищевой биотехнологии Спиртовые дрожжи
ВНИИСХМ, ООО «Биотроф» Целлобактерин
чение Минздрава РФ № 77.99.9.916. П.13943.8.00).
Ультраконцентрат с концентрацией СВ=25 % предназначен для поставки потребителям, находящимся на незначительном расстоянии (до 300-400 км), а также использования в составе питательных сред (субстратах), улучшителях, подкислите-лях, обогатителях и других различных комплексных добавках (примеры см. ниже), а с концентрацией СВ = 60-70 % - для удаленных на 500 км и более.
ЗД-УК целесообразно применять в качестве обогатителя биологически ценными компонентами и коричневого красителя при производстве широкого ассортимента пищевых продуктов, в том числе кваса, пива и других напитков, а также хлебобулочных, мучных кондитерских и мясных изделий.
Его использование в хлебопечении особенно целесообразно при производстве ржаных и ржано-пше-ничных сортов хлеба. При производстве же белого хлеба применять его сложно из-за интенсивного темно-коричневого цвета. Исследования, проведенные совместно с НИИХП, показали, что при использовании ультраконцентрата улучшаются окраска корочки и внешний вид ржаного и ржано-пшеничного хлеба, интенсифицируется процесс тестопри-готовления, повышается пищевая ценность и создается возможность сокращения дозировки традиционной закваски и (или) дрожжей.
ЗД-УК целесообразно применять также и при производстве хлеба из ржаной муки из-за значительного содержания органических кислот (рН = 3,5-3,8) и может быть реализовано двумя способами.
Первый - путем введения этой добавки в нативном виде в количестве до 5-7 % к весу муки. При этом, по заключению НИИХП, его можно использовать в качестве хлебопекарного улучшителя при переработке муки с пониженной автолитической активностью.
Второй - путем создания комплексных подкисляющих добавок. При этом в ЛМТ были разработаны и представлены в табл. 2 три рецептуры, в которых содержание ЗД-УК составляет 50 % по СВ.
Все эти три добавки испытаны в производственных условиях ОАО «Золоторожский хлеб» (Москва) путем их введения в количестве 8 % к массе муки. В качестве контроля выпекали образцы хлеба с использованием заводской закваски с живыми микроорганизмами (молочнокислыми бактериями и дрожжами) полу-
чаемой по традиционной технологии.
Испытания показали, что хлеб, выпеченный с применением как этих трех комплексных добавок, так и по традиционной технологии, имеет ярко окрашенную корочку, приятный характерный аромат, который наиболее был выражен в образце с использованием состава № 3.
Вкусовые качества всех образцов отвечали требованиям ржаного и ржано-пшеничного хлеба при нормальной пористости мякиша. В опытных образцах поры были более крупными, что способствовало увеличению срока их хранения. По цвету мякиш в опытных образцах несколько темнее, чем в контроле.
В целом испытания показали, что комплексные подкисляющие добавки ЗД-УК всех трех составов можно рекомендовать для использования в хлебопечении вместо традиционной «живой» закваски, а также распространенных к настоящему времени комплексных подкисляющих химических добавок - «Цитрасол», «По-лимол», «Люкс», «Лецитокс», «Эффект» и др. При этом комплексные пищевые добавки на основе ультраконцентрата ЗД-УК имеют значительно белее низкую цену (себестоимость с СВ=25 % порядка 4руб./кг), чем другие химические, названные здесь.
Совместно с сотрудниками ВНИ-ИПБ и ВП установлено, что при применении ЗД-УК при производстве кваса на 20-25 % ускоряется брожение, что создает предпосылки снижения нормы введения дрожжей.
Проведенные на дрожзаводе «Дербеневка» (Москва) испытания ЗД-УК в составе питательных сред при производстве пекарских дрожжей показали, что их выход увеличивается на 7 %, подъемная сила -на 10 %, а осмочувствительность сокращается в 2 раза.
Области использования ЗД-УК в пищевой промышленности обобщены в табл. 3. При этом в ряде областей применения ультраконцентрат необходимо перед использованием предварительно раскислять.
Обширная область применения ЗД-УК - использование его в составе питательных сред (субстратах) при производстве продуктов пищевой биотехнологии, в том числе взамен кукурузного экстракта.
Анализ состава ЗД-УК, литературы и патентов, а также исследования, проведенные во ВНИИПБТ, МГУПП, ГНУ по антибиотикам и других НИИ, раскрыли перспективу его использования при производстве ферментов, аминокислот, пищевых органических кислот (молочной, пропионо-
вой, уксусной и др.), ветпрепаратов, дрожжей (пекарских, пивных и кормовых), заквасок, азотфиксирующих бактерий, антибиотиков, бифидо-бактерий, витаминов, мицелиаль-ных грибов (вешенки, шампиньонов) и других продуктов микробиосинтеза, а также взамен части сусла при производстве темных сортов пива (табл. 4).
Наибольшая эффективность достигается при его использовании в субстратах для биосинтеза дорогостоящего (цена 500 тыс. долл. США за 1 т) бактериоцина низина [4], который является единственным антибиотиком, допущенным к применению в пищевой промышленности, а также в животноводстве для стимуляции роста животных. Он ингиби-рует грамм-положительные микроорганизмы и особенно их споры. Низин эффективен в сыроделии, консервировании (в том числе для защиты от бутулизма), производстве молочных продуктов, для предотвращения широко распространенной «картофельной болезни» хлеба.
В пищевой биотехнологии он эффективен для защиты процессов микробиосинтеза от грамм-положительных микроорганизмов. Так, его применение при производстве спирта позволяет подавить постороннюю микрофлору, а следовательно, исключить закисание и подавить выход спирта.
Сопоставимый анализ состава ЗД-УК и добавки микробного происхождения из источника [5, 6] показывает, что его также можно применять и в качестве функциональной пищевой добавки.
В качестве перспективных и эффективных областей использования ЗД-УК в сельском хозяйстве следует отметить также:
использование в качестве консерванта-обогатителя при силосовании кормов как отдельно, так и дополнительно в смеси с известными на рынке консервантами кормов на основе органических кислот;
замена (до 50 %) дорогого сухого обезжиренного молока (СОМ) в стандартных комбикормах и заменителях цельного молока (ЗЦМ);
при кормлении дойного стада грубыми кормами после дополнительного смешивания со специальными буферными смесями (раскислителя-ми);
в рецептурах новых ЗЦМ и комбикормов-стартеров для телят в смеси с ферментированными гидролизата-ми кукурузных зародышей, глюте-ном, кукурузным экстрактом, соевым молоком, а также проросшим ячменем, пшеницей, рожью, горохом и соей.
ЗД-УК пригоден для применения в качестве премикса и пластификатора морозостойких бетонов, а также в составе шампуней и ополаскивателей волос.
Описанная здесь и в статьях [2, 3] линия переработки барды является полностью отечественной разработкой, включая оборудование.
Сотрудники ЛМТ готовы адаптировать схему к конкретным условиям каждого спиртзавода, осуществить авторский надзор за проектно-кон-структорскими работами, подбором оборудования, монтажом и вводом в эксплуатацию.
К сожалению, в РФ осваиваются иностранные (в основном китайские) линии, что объясняется отсутствием финансовой господдержки разработчиков технологий и оборудования на стадии создания и отработки их головных промышленных образцов. Это может привести к
тому, что описанная здесь или другие эффективные отечественные технологии вернутся в РФ в виде иностранного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов, В.И. Инновационное решение высокоэффективной концентрации барды/В.И. Смирнов// Ликероводочное производство и виноделие. - 2012. - № 2. - С. 18.
2. Кудряшов, В.Л. Роль и эффективность мембранных процессов при модернизации пищевой про-мышленности/В.Л. Кудряшов//Пи-щевая промышленность. - 2012. -№ 10. -С. 14-18.
3. Кудряшов, В.Л. Экономичный трехпродуктовый способ переработки барды в кормовые и пищевые до-бавки/В.Л. Кудряшов, Н.С. Погор-жельская, Н.В. Маликова//Ликеро-водочное производство и виноделие. - 2011. - № 10. - С. 16-19.
4. Кудряшов, В.Л. Синтез биоконсерванта низина на отходах и вторичном сырье ряда биотехнологических производств/В.Л. Кудряшов, И.Д. Сергеева, Л.Г. Стоянова/Биотехнология. - 1995. - № 12. - С. 2528.
5. Поляков, В.А. Биологически активные добавки микробного происхождения как фактор, формирующий функциональные свойства пищевых продуктов/В.А. Поляков, Л.В. Римарева, Е.М. Серба//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. -№ 12. - С. 43-47.
6. Серба Е.М, Рачков К.В., Орлова Е.В. и др. Исследование функционального состава биокорректоров пищи из дрожжевой биомассы/Е.М. Серба [и др.]//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. -№ 11. - С. 18-21.
Мембранные процессы как основа производства зернодрожжевого ультраконцентрата: области применения и эффективность
Ключевые слова
мембранные процессы; зерновая барда; пищевые добавки; керамические мембраны.
Реферат
В статье описана технология переработки зерновой барды в жидкий ультраконцентрат зернодрожжевой на основе применения мембранных процессов: ультрафильтрации, нанофильтра-ции и обратного осмоса. Показана перспектива и эффективность использования ультраконцентрата в качестве белково-витамин-ной добавки в различных отраслях пищевой промышленности и пищевой биотехнологии.
Авторы
Кудряшов Вячеслав Леонидович, канд. техн. наук, Погоржельская Наталия Сергеевна, канд. техн. наук, ВНИИ пищевой биотехнологии, 111033, Москва, ул. Самокатная, д. 4Б, [email protected]
Membrane Processes as Production Base of Grain Yeast Retentate: the Scope and Effectiveness
Key words
membrane processes; grain DDGS; food additives; ceramic membranes.
Abstracts
The technology of grain DDGS processing into liquid grain yeast ultraconcentrate based on application of membrane processes: ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis is described in this article. The features and efficiency of ultraconcentrate application as protein-vitamin additive in different branches of food industry and food biotechnology were shown.
Authors
Kudryashov Vyacheslav leonidovich, Candidate of Technical Science, Pogorzhelskaya Nataliya Sergeevna, Candidate of Technical Science, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, 4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033, [email protected]
