CC BY
24УДК 664;66.081.6
ПРОИЗВОДСТВО ТВОРОГА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ -
УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ В.А.Тимкин, кандидат технических наук, доцент, профессор, ФГБОУ ВО Уральский
государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912 240 70 50; , Е-mail: ural.membrana@yandex.ru )
Л.А. Новопашин, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Ю.Б. Котлюба аспирант кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912-245-7287, Е-mail: 7777117777@mail.ru )
Рецензент Л.В. Денежко, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: denejko@yandex. щ)
Ключевые слова: микрофильтрация, ультрафильтрация, обезжиренное молоко, творожное калье, активная кислотность, срок годности.
Аннотация. Представленная работа посвящена решению задачи, направленной на исследование баромембранных процессов производства ультрафильтрационного творога в последовательности микрофильтрация - ультрафильтрация. Рассмотрена возможность влияния на характеристики процесса ультрафильтрации активной кислотности раствора. Показано, что посредством приближения к изоэлектрической точке белковой фракции концентрируемого
творожного калье можно влиять на проницаемость и селективность процесса ультрафильтрации.
3 2
Максимальное значение проницаемости для исходного творожного калье ^ = 54 дм /м ч) наблюдается в интервале рН 4,7 - 4,65, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки казеина. Максимальное значение проницаемости для УФ творога ^ = 45
3 2 „
- 44 дм /м ч) наблюдается в интервале рН 4,5 - 4,45, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки сывороточных белков. Подтверждена целесообразность предлагаемой последовательности проведения баромембранных процессов. Определено, что в обезжиренном молоке после процесса микрофильтрации сохраняются все ценные компоненты. Эффективность микробиологической очистки молока составляет 99,9%. Увеличивается на 7 - 10%
проницаемость ультрафильтрационной мембраны. Срок годности ультрафильтрационного творога увеличивается в 3 раза.
STUDY AND THE DEVELOPMENT OF BAROMEMBRANE PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COTTAGE CHEESE IN CONSISTENCY MICROFILTRATION -
ULTRAFILTRATION
V. A. Timkin, candidate of technical sciences, associate professor, professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912 240 70 50;, E-mail: ural.membrana@yandex.ru)
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: novopashin-leonid@ya.ru)
Y.B. Kotlyuba graduate student of the department of technological and transport machines Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912-245-7287, E-mail: 7777117777@mail.ru)
Reviewer L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: denejko@yandex.ru)
Key words: microfiltration, ultrafiltration, skim milk, cottage cheese necklace, active acidity, shelf
life.
Annotation. The presented work is devoted to the solution of the problem aimed at the study of baromembrane production processes of ultrafiltration curd in the sequence of microfiltration -ultrafiltration. The possibility of affecting the characteristics of the ultrafiltration process of the active acidity of the solution. It is shown that the permeability and selectivity of the ultrafiltration process can be influenced by approaching the isoelectric point of the protein fraction of the concentrated curd calcium.
3 2*
The maximum permeability value for the initial curd Calais (G = 54 dm /m h) is observed in the pH range 4,7 - 4,65, which corresponds to the value of the active acidity of the isoelectric point of casein.
3 2
The maximum permeability value for UV curd (G = 45 - 44 dm /m h) is observed in the pH range 4,5 -4,45, which corresponds to the value of the active acidity of the isoelectric point of whey proteins. The expediency of the proposed scheme of baromembrane processes is confirmed. It is determined that in skim milk after the process of microfiltration all valuable components are preserved. The efficiency of
microbiological purification of milk is 99.9%. The permeability of ultrafiltration membrane increases by 7 - 10%. The expiration date of ultrafiltration of cottage cheese increases 3 times.
Введение
Мембранная технология все более широко внедряется в пищевую промышленность России, особенно в молочную отрасль [1]. В настоящее время одной из главных задач, стоящих перед технологами молочной промышленности, является разработка продуктов с повышенной пищевой и биологической ценностью, в полной мере обеспечивающих рацион потребителя полноценными белками [2-4]. К таким продуктам относится творожный сыр, или, как принято его называть -ультрафильтрационный (УФ) творог, в основе получения которого используется баромембранная технология [5-7]. Эта технология позволяет сохранить в получаемом продукте сывороточные белки, а также примерно в два раза увеличить выход творога [5] по сравнению с «традиционной» технологией. Основываясь на положении, что аминокислоты и, соответственно, белки являются по своей природе амфотерными молекулами, так как содержат и кислотные, и щелочные функциональные группы, можно предположить, что существует взаимосвязь между основными характеристиками процесса УФ и активной кислотностью разделяемого творожного калье.
В связи с этим, представляет значительный интерес решение задачи, направленной на исследование баромембранных процессов производства УФ творога, а именно: целесообразности применения схемы «МФ - УФ», возможности влияния на процесс УФ посредством приближения к изоэлектрической точке белковой фракции концентрируемого калье и разработке на этой основе рекомендаций по внедрению в производство технологии, использующей мембраны отечественного производства.
Экспериментальная часть
Лабораторная установка
Исследования проведены в лабораторных условиях на установке (рис. 1). МФ и УФ мембранные ячейки (поз. 1) предназначены для разделения исследуемого раствора. Насос (поз. 2), типа ОНЦ 1,5/20К - 0,75/2 с частотным преобразователем типа FRENIC-Eco F1S, предназначен для подачи исследуемого раствора в мембранную ячейку, и создания давления в установке. Питающий бак (поз. 3), объемом 15 дмз, предназначен для подачи исходного раствора и последующей его циркуляции в контуре "питающий бак-насос-мембранная ячейка". Бак для пермеата (поз. 4), представляющий собой мерную стеклянную колбу, служит для определения расхода пермеата в установке. Манометр (поз. 5), типа М0-5, служит для контроля давления в установке. Ротаметр (поз. 6), типа РС-5, предназначен для определения расхода раствора в установке. Вентиль регулировочный (поз. 7), типа РУ-160, предназначен для регулирования давления в установке. Змеевик (поз. 8), предназначен для регулирования температуры исследуемого раствора. Термопара (поз. 9), типа хромель-алюмель, предназначена для контроля температурного режима процесса МФ или УФ. Милливольтметр (поз. 10), типа Ф-4214, предназначен для контроля э.д.с,
наводимой термопарой. Сосуд Дьюара (поз. 11), представляющий собой герметичную емкость из пенопласта, с помещенным в нее льдом, служит для исключения влияния температуры окружающей среды, при измерении температуры процесса разделения. Разделитель (поз. 12), представляющий собой металлическую мембрану, предназначен для предотвращения попадания раствора в рабочие элементы манометра. Вентили (поз. 13,14) служат для поочередного подключения в схему установки мембранных ячеек. Все металлические детали установки выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Основным элементом лабораторной установки являются мембранные ячейки, способные осуществлять работу в «тангенциальном» режиме. В верхней (на рис.1) ячейке, представляющей
собой плоскокамерный аппарат с диаметром крышек 350 мм, устанавливается листовая
2 2
полимерная мембрана диаметром 300 мм. Площадь мембраны в ячейке составляет 7,0*10- м . В нижней ячейке, представляющей собой цилиндрический аппарат диаметром 40 мм, длиной 890 мм
устанавливается трубчатый керамический мембранный элемент длиной 800 мм. Площадь
2 2
мембраны в ячейке составляет 1,5*10- м .
Мембраны
В экспериментах использовались МФ и УФ керамические мембраны КМФЭ (0,8) и КУФЭ (0,01) на основе диоксида титана (анатазной модификации), с нанесенным селективным слоем а оксида алюминия или титана, производства ООО НПО «Керамикфильтр» г. Москва.
Растворы
В качестве объектов исследования использовали обезжиренное молоко, соответствующее ГОСТ Р 53503-2009, и творожное калье, приготовленное «сычужным» способом из обработанного обезжиренного молока. Обработка молока заключалась в его микробиологической очистке методом МФ разделения или термическим методом. Термический метод заключался в нагреве исходного молока на электрической плитке до температуры 82±3оС, выдержке при этой температуре 20 - 30 с и охлаждении до температуры эксперимента. Готовность творожного калье определяли по его кислотности, которая должна составлять 75 - 80оТ (рН 4,2 - 5,6). Творожное калье разной концентрации получали путем УФ концентрирования отдельной партии калье, с последующим охлаждением концентрата до 4±2оС.
Методы анализа растворов
Отбор проб и подготовка их к анализу проводили по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809, ГОСТ 26929. Физико-химические показатели определяли по стандартным методикам [8]: массовую доли влаги по ГОСТ 30305.14; массовую долю казеина, а также общее содержание белка по ГОСТ 25179 рефрактометром и методом формального титрования, в качестве арбитражного использовали метод Къельдаля; массовую долю жира кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867; массовую долю лактозы методом Лоренса; титруемую кислотность по ГОСТ 3624; общую и активную кислотность потенциометрическим методом по ГОСТ 15113.5. Количество мезофильных
аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) определяли по ГОСТ Р 53430 - 2009.
1 - мембранная ячейка; 2 - насос; 3 - питающий бак; 4 - бак для пермеата; 5 - манометр; 6 -ротаметр; 7 - вентиль регулировочный; 8 - змеевик; 9 -термопара; 10 - милливольтметр; 11 -
сосуд Дьюара; 12 - разделитель; 13, 14 - вентили.
Рисунок 1. Схема лабораторной установки для исследования процессов МФ и УФ
Готовность творожного калье определяли по его кислотности, которая должна составлять 75 - 80оТ (рН 4,2 - 5,6). Творожное калье разной концентрации получали путем УФ концентрирования отдельной партии калье, с последующим охлаждением концентрата до 4±2оС.
Методы анализа растворов
Отбор проб и подготовка их к анализу проводили по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809, ГОСТ 26929. Физико-химические показатели определяли по стандартным методикам [8]: массовую доли влаги по ГОСТ 30305.14; массовую долю казеина, а также общее содержание белка по ГОСТ 25179 рефрактометром и методом формального титрования, в качестве арбитражного использовали метод Къельдаля; массовую долю жира кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867; массовую долю лактозы методом Лоренса; титруемую кислотность по ГОСТ 3624; общую и активную кислотность потенциометрическим методом по ГОСТ 15113.5. Количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) определяли по ГОСТ Р 53430 - 2009.
Методика проведения экспериментов
Учитывая, что объектами исследования являются пищевые среды, время проведения каждого эксперимента было ограничено интервалом не более 40 - 50 мин. Это позволило получать результаты, при которых органолептические и физико-химические показатели образцов сохраняют свои нормативные значения. После каждого эксперимента лабораторная установка
подвергалась санитарной обработке, при этом соблюдались условия регенерации мембран, в соответствии с рекомендациями их производителей. При снижении проницаемости исследуемой мембраны на величину, превышающую 5%, по сравнению с началом эксперимента, ее заменяли на новую. Так как рабочее давление процессов МФ и УФ не высокое, предварительная подготовка мембран, связанная с их уплотнением от действия давления, на наш взгляд, не требуется. Расчетные уравнения и обработка результатов экспериментов
Эффективность микробиологической очистки обезжиренного молока Эф (%) рассчитывалась по уравнению:
Эф = (Ми - Мо)100/Ми (1)
где Ми - микробиологическая обсемененность исходного молока, КОЕ/см ;
Мо - микробиологическая обсемененность обработанного молока, КОЕ/см . Для определения каждого исследуемого параметра проводилось не менее 3-х экспериментов. Результаты экспериментов обрабатывались с помощью методов математической статистики, корреляционного и регрессивного анализов при доверительной вероятности 95 (уровень значимости 0,05).
Результаты и их обсуждение Зависимость проницаемости УФ мембраны от активной кислотности творожного калье и УФ творога приведена на рис. 2, 3. Проведенные эксперименты показали возможность влияния активной кислотности концентрируемого раствора на процесс УФ посредством приближения к изоэлектрической точке основной части белковой фракции. Максимальное значение
3 2
проницаемости для исходного творожного калье (О = 54 дм /м ч) наблюдается в интервале рН 4,7 - 4,65, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки казеина.
3 2
Максимальное значение проницаемости для УФ творога (О = 45 - 44 дм /м ч) наблюдается в интервале рН 4,5 - 4,45, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки сывороточных белков. Селективность УФ мембраны от активной кислотности творожного калье, как показали эксперименты, не зависит и имеет постоянные значения ф=0,985-0,987.
4,.') 4:55 4,6 4,65 4,7 4,75 4,Я 4,Я5 4,9 4,95
рН
Рисунок 2. Зависимость проницаемости УФ мембран от активной кислотности творожного калье, при и=3,0 м/с; Р=0,35 МПа, !=55°С; С=12%СВ, мембрана КУФЭ (0,01).
С целью подтверждения целесообразности предлагаемой схемы производства УФ творога «МФ - УФ», был проведен ряд экспериментов. Было определено, что в обезжиренном молоке после процесса МФ (МФ молоке) сохраняются все ценные компоненты (табл. 1).
I
4,2 — ' -4. : -1 1' 4,45 4.5 4.55 4,(. 4,65
„I I
Рисунок 3. Зависимость проницаемости УФ мембраны от активной кислотности УФ творога, при и=3,0 м/с; Р=0,35 МПа, 1=55оС; С=15,0%СВ, мембрана КУФЭ (0,01). Таблица 1. Физико-химические показатели обезжиренного и МФ молока (средние значения)
Параметры Обезжиренное молоко Пермеат (МФ молоко) Концентрат
Белок общий, % (масс.) 3,05 3,01 3,81
Лактоза, %(масс.) 4,65 4,55 6,55
Жир, %(масс.) 0,05 0,0 1,00
Минеральные вещества, %(масс.) 0,82 0,81 1,01
Сухие вещества, % (масс.) 8,57 8,37 12,37
Водородный показатель, рН 7,15 7,10 6,85
Кислотность, 0Т 17 16,75 17,85
Количество пермеата составило 92 - 96%. Эффективность микробиологической очистки молока составляет 99,9% (табл. 2).
Таблица 2. Микробиологическая обсемененность обезжиренного и МФ молока (средние значения).
Параметры Обезжиренное молоко Пермеат (МФ молоко) Концентрат
КМАФАнМ, КОЕ/см3 2,3 105 1,5102 3,4106
Эффективность очистки, % - 99,9 -
Исследование процесса УФ концентрирования творожного калье, полученного из МФ молока и из молока после термической обработки (МТ молоко), показывает (табл. 3), что проницаемость УФ мембраны в экспериментах с творожным калье, полученным из МФ молока, выше, чем с калье, полученным из МТ молока, примерно на 7 - 10%.
Таблица 3. Проницаемость мембраны КУФЭ (0,01) в процессе УФ творожного калье, при и=3,0 м/с; Р=0,35 МПа; t=55оС
С, %СВ G, дм3/(м2 ч)
Творожное калье (МФ молоко) Творожное калье (МТ молоко)
12 55,0 51,1
15 51,0 46,9
17 48,5 44,1
20 43,7 39,3
Причем, чем больше концентрация калье, тем заметнее становится разность в проницаемости. Этот эффект достигается, на наш взгляд, тем, что бактерии, остающиеся в МТ молоке являются дисперсной фазой, которая концентрируется в процессе УФ калье и существенно влияет на производительность мембраны.
Таблица 4. Срок годности образцов УФ творога
Срок хранения образцов, сут Показатель КМАФАнМ, КОЕ/см3
УФ творог (МФ молоко) УФ творог (МТ молоко)
1 4,0х102 1,1х103
3 5,1х102 1,9х103
5 8,5х102 3,5х103
7 1,0х103 >5,0х103
9 1,5х103 -
11 2,0х103 -
13 2,5х103 -
15 3,1х103 -
17 3,7х103 -
19 4,4х103 -
21 >5,0х103 -
Также, проведены микробиологические исследования УФ творога на предмет установления срока его годности, в зависимости от вида исходного молока, применяемого для заквашивания калье (табл. 4). Образцы творога хранились в одинаковых условиях в холодильной камере при !=4±2°С. Как видно из результатов исследования (табл. 4), срок годности УФ творога, полученного из МФ молока, практически в 3 раза превышает срок годности УФ творога, полученного из МТ молока. Критерием годности УФ творога считалось изменение его качественных показателей (КМАФАнМ >5,0х103 КОЕ/см3).
Выводы
Исследования позволили определить предпочтительные технологические параметры баромембранных процессов производства УФ творога. Так, активная кислотность исходного творожного калье должна быть в пределах рН 4,7 - 4,65, УФ творога рН 4,5 - 4,45. Подтверждена целесообразность предлагаемой схемы производства УФ творога «МФ - УФ», которая заключается в повышении производительности УФ мембран и увеличении срока годности получаемого продукта.
Литература
1. Харитонов В.Д. Принципы рациональности применения мембранных процессов/ В.Д. Харитонов, С.Е. Димитриева, Г.В. Фриденберг, Г.А.Донская и др. // Молочная промышленность, 2013, № 12
2. Клепкер В. М., Гостищева Е. А. Особенности структурообразования творожных сыров с повышенным содержанием сывороточных белков. Молочная река, 2015, № 2
3. Тимкин В.А., Горбунова Ю.А., Пищиков Г.Б. Применение отечественных керамических мембран для производства биотворога. Пища. Экология. Качество: труды XII Медународной научно-практической конференции (Москва, 19-21 марта 2015 г.) -Новосибирск, 2015. - в 2-х томах
4. С. А. Фильчакова Аспекты развития промышленной технологии творога. Переработка молока, 2014, № 2
5. Пищиков Г.Б., Тимкин В.А., Горбунова Ю.А. Разработка баромембранной технологии УФ творога. Аграрный вестник Урала, 2015, №5
6. Зябрев А.Ф, Кравцова Т.А. Производство творога с применением ультрафильтрации. Переработка молока, 2013, № 10
7. Дренов А.Н., Лялин В.А. Производство творога на мембранных установках: качественно и рентабельно. Молочная промышленность, 2013, № 1
8. Методы исследования молока и молочных продуктов/Под общ. редакцией А. М. Шалыгиной. - М.: Колос, 2013. - 368 с.
References
1. Kharitonov V. D. principles of rational application of membrane processes/ V. D. Kharitonov, S. E. Dimitrieva, G. V. Fridenberg, G. A. Donskaya et al. / / Dairy industry, 2013, № 12
2. Klepner V. M., Gostisheva E. A. peculiarities of structure formation of curd cheese with high content of whey proteins. Milk river 2015, No. 2
3. Timkin V. A., Gorbunov, Y. A., Pishchik B. domestic Application of ceramic membranes for the production of salt. Diet. Ecology. Quality: proceedings of the XII international scientific and practical conference (Moscow, March 19-21, 2015) - Novosibirsk, 2015. - in 2 volumes
4. Filchakova S. A. aspects of the development of industrial technology of cottage cheese. Processing of milk, 2014, No. 2
5. Pishchikov G. B., Timkin V. A., Gorbunov Yu. a. the Development of baromembrane technology of UF cheese. Agrarian Bulletin of the Urals, 2015, № 5
6. Zyabrev A. F., Kravtsova T. A. Production of cheese using ultrafiltration. Processing of milk, 2013, No. 10
7. Dronov A. N., Lyalin V. A. Production of cottage cheese for membrane plants: quality and cost-effective. The dairy industry, 2013, № 1
8. Research methods of milk and dairy products/edited by the editors of A. M. Shalygina. -Moscow: Kolos, 2013. - 368 p.
