CC BY
8Вестник АПК
Агроинженерия -; № 2(26), 2017 " "
УДК 637.33
В. И. Трухачев, В. В. Молочников, Т. А. Орлова, А. Г. Храмцов
Trukhachev V. I., Molochnikov V. V., Orlova T. A., Кhramtsov A. G.
РЕАЛИЗАЦИЯ БИОМЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
IMPLEMENTATION OF BIOMEMBRANE TECHNOLOGY OF DAIRY PRODUCTS OF NEW GENERATION
В соответствии с методологией когнитивности (осмысления) теоретически из продуктов фракционирования молочного сырья полисахаридами, например пектином, практический интерес в области сыроделия представляет концентрат натурального казеина (КНК). В связи с данным постулатом представляются актуальными исследования по изучению влияния ряда технологических факторов на концентрирование казеинового комплекса обезжиренного молока для его использования при производстве сыров. На первом этапе проведены эксперименты по установлению влияния концентрации пектина, кислотности исходного молока-сырья с его тепловой обработкой на содержание белка в КНК. На втором этапе исследований изучена термомеханическая обработка белковых концентратов. На третьем этапе изучено влияния концентрата натурального казеина на процесс ферментативной коагуляции молока и реологические показатели геля. В результате сформирована научно-техническая предпосылка для реализации биомембранной технологии в сыроделии.
Ключевые слова: молочное сырье, полисахарид, биомембранная технология, концентрат натурального казеина (КНК), кислотность, термостойкость, научно-технические предпосылки реализации в сыроделии.
In accordance with the methodology of cognition (thinking) in theory of the products of raw milk fractionation with polysaccharides, such as pectin, a concentrate natural casein (CNC) is of practical interest in the field of cheese-making. In connection with the postulate it is relevant to research the influence of some technological factors on the concentration of casein complex of skim milk for use in cheese production. The first stage included experiments to establish the effect of concentration of pectin, acidity of the source of milk-raw material with heat treatment on the protein content in CNC. The second stage included the research of the thermo-mechanical processing of protein concentrates. The third stage included research of the influence of concentrate natural casein on a process of enzymatic milk coagulation and the rheological properties of the gel. As a result we formed a scientific-technical background for the implementation of biomembrane technology in the cheese industry.
Key words: raw milk, polysaccharide biomembrane technology, concentrate natural casein (CNC), acidity, thermal stability, scientific and technical prerequisites for the implementation in the cheese industry.
Трухачев Владимир Иванович -
Академик РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, доктор экономических наук, профессор, ректор
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652)35-22-82
E-mail: rector@stgau.ru
Молочников Валерий Викторович -
член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор кафедры технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет» г. Ставрополь
E-mail: valeriimolochnikov@mail.ru
Орлова Татьяна Александровна -
доктор технических наук, профессор кафедры товароведения и технологии общественного питания АНО ВО «Белгородский университет кооперации, экономики и права»
Ставропольский институт кооперации (филиал)
г. Ставрополь
Тел.: 8-961-459-03-56
E-mail: orlovanutrition@yandex.ru
Храмцов Андрей Георгиевич -
академик РАН, доктор технических наук, профессор-
консультант кафедры прикладной биотехнологии
ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный
университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652)33-03-18
E-mail: akhramtcov@ncfu.ru
Trukhachev Vladimir Ivanovich -
Full member (academician) of Russian Academy of Sciences (RAS), Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Doctor of Economic Sciences, Professor, rector FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8(8652)35-22-82 E-mail: rector@stgau.ru
Molochnikov Valeriy Viktorovich -
Corresponding member of Russian Academy of Sciences (RAS), Doctor of Biological Sciences, Professor
Department of Technology of production and Processing of agricultural products FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
E-mail: valeriimolochnikov@mail.ru
Orlova Tatiana Aleksandrovna -
Doctor of Technical Sciences,
Professor Department of Commodity research
and Technology of public catering
ANO HE «Belgorod University of Cooperation, Economics and Law» Stavropol Institute of Cooperation (branch) Stavropol
Tel.: 8-961-459-03-56 E-mail: orlovanutrition@yandex.ru
Khramtsov Andrei Georgievich -
Full member (academician) of Russian Academy of Sciences (RAS), Doctor of Technical Sciences, Professor Department of Applied Biotechnology FSAEI HE «North-Caucasus Federal University» Stavropol
Tel.: 8(8652)33-03-18 E-mail: akhramtcov@ncfu.ru
Информационный файл по проблематике биомембранной технологии молочных продуктов нового поколения в достаточной мере сформирован [1-5]. Логистически представляется целесообразным осветить тематику по практической реализации новации на конкретике ассортиментных линеек молочных продуктов. Начать представляется возможным, с учетом результатов системных исследований [6-8] и обобщающих публикаций [2, 9-11], с одной из интересных в биотехнологическом плане ассортиментных групп - сыроделие (микробный синтез и ферментативный катализ).
В соответствии с методологией когнитивно-сти (осмысления) теоретически из продуктов разделения молочного сырья полисахаридами, например пектином, практический интерес в области сыроделия представляет концентрат натурального казеина (КНК). В связи с данным постулатом представляется актуальным провести исследования по изучению влияния ряда технологических факторов на концентрирование белкового комплекса обезжиренного молока для производства сыров. Исходя из теоретической предпосылки и анализа информационного файла по тематике была выдвинута рабочая гипотеза, получившая в дальнейшем практическое подтверждение. Она включает два основ-
ных конвергентных (переплетение) положения, краткое содержание которых приведено ниже.
1. Из обезжиренного (вернее низкожирного) молока при введении в него определенных доз полисахаридов при оптимальных параметрах системы «белок - полисахарид» возможно получение концентрата натурального казеина (КНК) казеиновых концентратов гравитационным или центробежным способами.
2. Жидкостная структура концентрата натурального казеина может быть: совмещена с жировыми и/или углеводными компонентами молочного сырья; подвергаться термомеханической обработке; сквашиванию; ферментации; коагуляции с целью получения структур пищевых кондиций с пробиотическими и пре-биотическими свойствами - синбиотики (продукты функционального назначения). Они могут служить основой для создания группы белковых продуктов: сыров, творога, творожных изделий, получаемых по малоотходной технологии.
Экспериментальное сопровождение данной теоретической предпосылки проводилось в несколько этапов.
На первом этапе проведены эксперименты по установлению влияния концентрации пектина, кислотности и температуры тепловой обработки обезжиренного молока на содержание белка в КНК. Результаты исследований приведены на рисунке 1.
3.6643* + 7.0429
0.9999
3.8619Х +5,3571 0.3
0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0Т85 0,95 Концентрация пектина, %
A
28
SS 25
1« о
к 16
Ш
13
10
= 1,31 31X2- К |,137х - 32,014
RJ - С ,3334
= 13! r! = с 1,412* ,9932 ■31,64.
•18оТ
21 оТ
0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0,85 0.95 Концентрация пектина. %
C
D
Рисунок 1 - Закономерности формирования системы - концентрат натурального казеина:
A - влияние концентрации пектина и кислотности обезжиренного молока на массовую долю белка в концентрате натурального казеина (КНК); B - влияние кислотности и тепловой обработки обезжиренного молока на массовую долю белка в концентрате натурального казеина; C -влияние концентрации пектина в системе и кислотности обезжиренного молока на выход концентрата натурального казеина; D - влияние кислотности и температуры тепловой обработки молока
на выход КНК
в
: № 2(26), 2017
Агроинженерия
51
Из приведенных на рисунке 1 результатов экспериментов следует, что максимальная доля белка выделяется при концентрации пектина в системе 0,55-0,65 %. Кислотность молока оказывает значительное влияние на содержание белков в КНК. Оптимально процесс идет при кислотности обезжиренного молока 18. Тепловая обработка (пастеризация) при температуре от 75 до 85 °С практически не влияет на выход КНК. Однако молоко, не подвергнутое тепловой обработке, приводит к ухудшению параметров разделения системы. Данная аномалия подлежит специальному изучению.
При исследовании влияния концентрации пектина в системе и массовой доли белка в молоке на концентрирование казеинового комплекса молока при оптимальных параметрах разделения установлено, что массовая доля белка в концентрате натурального казеина составляет 13,5±0,5 %, а в сывороточно-полисахаридной фракции (СПФ) остается практически постоянной и составляет 0,85±0,05 % (рис. 2, 3). Выход КНК также практически не изменяется и составляет 12,5 ±0,5 %.
Из полученных результатов следует, что оптимальное значение концентрации белка в
КНК зависит от температуры тепловой обработки молока, кислотности и массовой доли белка в обезжиренном молоке и находится в пределах: по температуре - 75-78 °С; по массовой доле белка - 2,8-3,1 %; при оптимальной кислотности 17-18 °Т.
Сводные физико-химические показатели обезжиренного молока, концентрата натурального казеина (КНК) и эффективности биомембранного разделения полисахаридам по результатам многочисленных экспериментальных наблюдений приведены в таблице 1.
Проведена опытно-промышленная проверка технологического процесса переработки обезжиренного молока с применением полисахаридов (яблочного, а также натрийкарбоксиметилцеллюлозы) методом центробежного разделения для получения концентрата натурального казеина (КНК). В результате проверки были получены концентраты, характеризующиеся следующими показателями (%):
массовая доля сухих веществ 20-24;
массовая доля белка 13-17.
36
= 271«*'' ■ 11,986* +21 0,3999 ¡да
- г,в1дз>' 12.706* +2 0,3997 ¡,зе
■ = Э ,0071ц1 13,433* +2 0,9979 5,7
= 3,1214*1 (# = 14,033* +2 0,3977 ¡,96 1
Г^З/х"-п' 11,7*+21,3 = 1
-2,7 % -2,9 % -3,1 % 3,3 % -3,5 %
.45
0.55 0.65
0.75
0.85
Рисунок 2 - Влияние концентрации пектина в смеси и массовой доли белка в молоке на массовую долю белка в концентрате натурального казеина
Концентрация пектина. %
Рисунок 3 - Влияние концентрации пектина
в смеси и массовой доли белка в молоке на выход концентрата натурального казеина
Таблица 1 - Эффективность биомембранной технологии по КНК
Показатель Обезжиренное молоко КНК СПФ
Массовая доля сухих веществ, % 8,70±0,2 19,45±0,5 6,75±0,25
В т. ч.: белка, % 3,15±0,15 13,75±0,5 0,95±0,10
лактозы, % 4,75±0,05 3,60±0,10 4,60±0,10
пектина, % - - 0,75±0,05
минеральных веществ, % 0,75±0,05 1,80±0,10 0,45±0,05
жира, % 0,05 0,25±0,05 -
Кальций, мг/100 г 115±5 400±10 50±5,0
Фосфор, мг/100 г 95±5 250±10 28±5,0
Титруемая кислотность, оТ 18±2 50±2 14±2,0
Активная кислотность, рН 6,7±0,1 6,3±0,2 6,3±0,2
Плотность, кг/м3 1030±5 1060±15 1025±5,0
На втором этапе исследований представляло интерес изучить термомеханическую обработку белковых концентратов. Определялась зависимость термоустойчивости КНК и молочных смесей на их основе от массовой доли белка, рН, кислотности, режимов гомогенизации и способов получения концентратов.
Определяли влияние гомогенизации на термоустойчивость смесей (белково-жировых продуктов), составленных на основе КНК, полученного гравитационным методом (смесь № 1), и КНК, полученного центробежным методом (смесь № 2). Физико-химический состав смесей представлен в таблице 2.
Как следует из таблицы 2, физико-химические показатели смесей примерно идентичны. В то же время характер кривых (рис. 4) показывает, что исходная термостойкость и термоустойчивость гомогенизированной смеси на основе отстойного КНК несколько выше термостойкости смеси из КНК, полученного центробежным способом.
По мере увеличения давления гомогенизации термостойкость смесей снижается независимо от способа получения концентрата и практически мало отличима, а при давлении от 12 до 18 кПа она остается величиной постоянной.
Установлено, что между содержанием общего кальция и тепловой стойкостью молока существует довольно тесная отрицательная связь. Увеличение количества общего кальция в моло-
ке (I и IV кварталы года) до 130 мг % способствует быстрому свертыванию при нагревании, при снижении концентрации кальция (II и III кварталы года) до 109 мг% термоустойчивость молока возрастала.
В концентрате натурального казеина содержание общего кальция составляет 373 мг%, что почти в 3 раза превышает его содержание в нетермостойком молоке. Это, по-видимому, объясняет низкую термоустойчивость смесей на основе концентрата казеина.
В молочной промышленности известны несколько способов повышения термоустойчивости молока. Наиболее экономичным и доступным способом является введение в смесь перед пастеризацией растворов трехзамещенных лимоннокислого натрия и калия. В продуктах детского питания применение этих солей приводит к образованию нежного, хорошо атакуемого ферментами сгустка.
Изучение влияния цитратов на повышение термостойкости концентрата натурального казеина и смесей на его основе проводили на образцах КНК, имеющего следующие показатели: массовая доля белка - 14,7 %, рН - 5,99, кислотность - 70 °Т. Исходный концентрат коагулировал при нагреве до 42 °С.
Стабилизатор (цитрат) вносили в количестве от 0,05 до 0,6 % от количества смеси с градацией 0,05 % в виде 10 % раствора. Данные по термоустойчивости концентрата приведены в таблице 3.
Таблица 2 - Физико-химические показатели смесей
Смесь Жир, % Белок, % Кислотность, °Т pH
№ 1 12,0 8,50 31 6,59
№ 2 12,0 8,28 34 6,50
Рисунок 4 - Зависимость показателя термоустойчивости концентрата казеина
от давления гомогенизации:
1 - смесь на основе КНК, полученного отстойным способом; 2 - смесь на основе КНК, полученного
центробежным способом
Вестник АПК
Ставрополья
: № 2(26), 2017
Агроинженерия
53
Таблица 3 - Зависимость показателя термостойкости КНК от количества стабилизатора
Контролируемые параметры Доза стабилизатора
0,05 0,1 0,15 0,2 0,2 0,25 0,30
Температура, °С 60 73 75 80 80 82 85
Показатель термоустойчивости, мин 0 0 0 0 0 0 0
Контролируемые параметры Доза стабилизатора
0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,6 Контроль
Температура, °С 85 85 85 85 85 85 42
Показатель термоустойчивости, мин 15 17 20 22 23 25 0
Анализ таблицы 3 показывает, что внесение цитратов (0,35-0,6 %) значительно повышает термостойкость концентрата. На основании полученных данных разработана методика регулирования термоустойчивости для концентрата натурального казеина и смесей на его основе с целью практического использования в сыроделии.
На третьем этапе исследований было изучено влияние концентрата натурального казеина на процесс ферментативной коагуляции молока и реологические показатели геля.
Исследование ферментативной коагуляции молока и реологических характеристик геля в зависимости от дозы КНК проводили по плану ортогональных главных эффектов. Установлено, что добавление КНК в молоко в дозах 5-25 г/л оказывает влияние на все стадии процесса сычужного свертывания, реологические показатели смеси и сгустка. Исходная вязкость молока повышается на (0,05-1,00) -10"3 Па-с, время контролируемых периодов сычужного свертывания флоккуляции и индукционного периода
Литература
1. Some aspects of the assessment of radio protective activity of dairy products technology «Bio-Tone» / Vladimir Trukhachev, Valery Molochnikov, Andrey Hramtcov, Sergey Emelyanov // «Fundamental and applied studies in the Pacific and Atlantic oceans countries» the 1st international academic congress (Japan, Tokyo, 25 october 2014): papers and commentaries / The University of Tokyo. 2014. Vol. II. P. 554-558.
2. Биомембранные технологии научной школы «Живые системы» СКФУ : учебное пособие / А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов, С. А. Емельянов [и др.]. Ставрополь : Изд-во СКФУ, 2014. 126 с.
3. Научные основы биомембранной технологии молочных продуктов нового поколения: Принципы проектирования и критерии оценки сбалансированности системы «Молочное сырьё -
сокращается на 2,7-3,9 мин и 0,4-2,8 мин соответственно. При этом приращение вязкости геля составляет (0,25-4,00)-10"3 Па-С.
Добавление КНК также влияет на синерге-тические свойства геля. С увеличением дозы внесения КНК уменьшается количество выделившейся молочной сыворотки в среднем на 2-8 %, при этом концентрация белка в ней остается фактически неизменной.
С целью нормализации молока посредством добавления кНк для выработки сыров, его дозировка должна быть рассчитана в зависимости от жирности молока. В целом эта операция практически не отражается на исходной вязкости молока-сырья, но сокращает продолжительность свертывания в среднем на 15 % и увеличивает плотность геля на 30 %. Поэтому ведение технологического процесса при производстве сыров должно быть скорректировано с учетом данных вышеприведенных исследований. Конкретика решений традиционной и инновационной линейки сыров с добавлением КНК будет описана в следующих статьях.
References
1. Some aspects of the assessment of radio protective activity of dairy products technology «Bio-Tone» / Vladimir Trukhachev, Valery Molochnikov, Andrey Hramtcov, Sergey Emelyanov // «Fundamental and applied studies in the Pacific and Atlantic oceans countries» the 1st international academic congress (Japan, Tokyo, 25 october 2014): papers and commentaries / The University of Tokyo. 2014. Vol. II. P. 554-558.
2. Biomembrane technology of the scientific school of «Living systems» NCFU : training manual / A. G. Khramtsov, I. A. Evdokimov, S. A. Emelyanov [et al.]. Stavropol : publ. of NCFU, 2014. 126 p.
3. Scientific basis of biomembrane technology of dairy products of new generation: the design principles and evaluation criteria of balance of system «Raw milk - polysaccharide» = Scientific bases of new generation
полисахарид» = Scientific bases of new génération dairy products biomembrane te-chonology report 1 subalansuotos «Pieno zaliava - polisacharidai» sistemos projekta-vimo ir [vertinimo kriterijai / A. Chramcov, V. Molocnikov, R. Ramanauskas, L. Galgi-naityté // Maisto chemija ir technologija = Пищевой институт КТУ. Kaunas, Литва. 2015. T. 49, № 2. C. 71-83.
4. Chramcov А. Г., Molocnikov V., Ramanauskas R. Научные основы биомембранной технологии молочных продуктов нового поколения: Научно-технические предпосылки формирования имитационной модели системы «Молочное сырьё - полисахарид» = Scientific bases of new generation dairy products biomembrane techonology report 2 imitacinès sistemos modelio «Pieno zaliava - polisacharidai» for-mavimo mokslinès-techninès prielaidos // Maisto chemija ir technologija = Пищевой институт КТУ. Kaunas, Литва. 2015. T. 49, № 2. С. 84-95.
5. Khramtsov A. G. Traditions and innovations of dairy industry / Food and raw materials. 2015. Vol. № 1. P. 140-141.
6. Орлова Т. А. Технологические принципы производства функциональных молочных продуктов с применением полисахаридов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.04 / СевероКавказский государственный технический университет. Ставрополь, 2010. 362 с.
7. Суюнчев О. А. Разработка ресурсосберегающих технологий мягких сыров и других продуктов из коровьего и козьего молока: дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.04 / СевероКавказский государственный технический университет. Ставрополь, 2006. 330 с.
8. Храмцов А. Г. Теоретическое и экспериментальное обоснование биомембранной технологии молочного полисаха-ридного концентрата : дис. ... д-ра техн. наук: 05.18.04 / Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности. М., 1999. 405 с.
9. Трухачёв В. И., Молочников В. В., Храмцов
A. Г. Инновационная составляющая биомембранной технологии молочных продуктов нового поколения // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. Раздел «Хранение и переработка». 2015. № 5. С. 3-7.
10. Основополагающие принципы высокоэффективного производства функциональных молочных продуктов / В. И. Трухачев,
B. В. Молочников, А. Г. Храмцов, Т. А. Орлова // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 3. С. 52-56.
11. Теория и практика безотходной переработки молока в замкнутом технологическом цикле / В. И. Трухачев, В. В. Молочников, Т. А. Орлова [и др.]. Ставрополь : АГРУС, 2012. 360 с.
dairy products biomembrane techonology report 1 subalansuotos «Pieno zaliava - polisacharidai» sistemos projektavimo ir [vertinimo kriterijai / A. Chramcov,V. Molocnikov, R. Ramanauskas, L. Galginaityte // Maisto chemija ir technologija = Food Institution KTU. Kaunas, Lithuania. 2015. Vol. 49, № 2. P. 71-83.
4. Khramtsov A. G., Molochnikov V. V., Ramanauskas R. Scientific basis of biomembrane technology of dairy products of new generation: the design Principles and evaluation criteria of balance of system «Raw milk -polysaccharide» = Scientific bases of new generation dairy products biomembrane te-chonology report 2 imitacines sistemos mo-delio «Pieno zaliava - polisacharidai» forma-vimo mokslines-technines prielaidos Food chemistry and technology = Food Institute of KTU. Kaunas, Lithuania. 2015. Vol. 49, № 2. C. 84-95.
5. Khramtsov A. G. Traditions and innovations of dairy industry / Food and raw materials. 2015. Vol. № 1. P. 140-141.
6. Orlova T. A. Technological principles of the production of functional dairy products with the use of polysaccharides / dis. ... doctor. tech. sciences: 05.18.04 / North-Caucasus State Technical University. Stavropol, 2010. 362 p.
7. Suyunchev O. A. Development of resource saving technologies of soft cheeses and other products from cow and goat milk : dis.... doctor. tech. sciences: 05.18.04 / North-Caucasus State Technical University. Stavropol, 2006. 330 p.
8. Khramtsov A. G. Theoretical and experimental study of biomembrane using the natural polysaccharide concentrate / diss. ... doctor. tech. sciences: 05.18.04 / All-Russian research Institute of meat industry. M., 1999. 405 p.
9. Trukhachev V. I., Molochnikov V. V., Khramtsov A. G. Innovative component of the biomembrane technology of dairy products of new generation // Bulletin of Russian Agricultural Science. The category of «Storage and processing». 2015. № 5. P. 3-7.
10. Basic principles of efficient production of functional dairy products / V. I. Trukhachev, V. V. Molochnikov, A. G. Khramtsov, T. A. Orlova // Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2016. № 3. P. 52-56.
11. Theory and practice of waste-free processing of milk in a closed technological cycle / V. I. Trukhachev, V. V. Molochnikov, T. A. Orlova [et al.]. Stavropol : AGRUS, 2012. 360 p.
