CC BY
307
гая.
бра-
ции
дии
эта-
\СВ
^ОГО
вида
да-!го и Ьия юра. 1пив-[Я.
|наш [ива-|го и [аль-идов
гикум
;евая
[овод-
Ьфии.
637.345.03
ТЕХНОЛОГИЯ ЛАКТУЛОЗЫ: НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ
С.А. РЯБЦЕВА
Ставропольский государственный технический университет
Лактулоза (4-0-/?-0-галактопиранозил-/)-фрукто-за) относится к наиболее перспективным бифидо-генным факторам, способствующим формированию нормального кишечного микробиоценоза. Это доказано многочисленными исследованиями, выполненными в разных странах мира. Лактулоза используется в продуктах детского, диетического и гериатрического питания, при лечении кишечных дисбактериозов и печеночной недостаточности. Особенно широко лактулоза применяется в Японии, где этот уникальный углевод получил официальный статус специальной пищевой добавки для поддержания здоровья нации [1].
Лактулоза была впервые получена из лактозы американскими химиками Хадсоном и Монтгомери в 1929 г. при изучении взаимосвязи физических свойств углеводов и их структурной конфигурации [2]. Вновь о лактулозе заговорили в конце 40-х годов, когда она была выделена Петуэли и Кристеном из женского молока в качестве бифидус-фак-тора [3]. Проведенные в последующие годы исследования подтвердили высокую бифидогенную активность лактулозы и дали толчок к разработке способов ее получения и организации промышленного производства.
Современные промышленные способы получения лактулозы различаются по составу и свойствам исходного сырья, виду и количеству применяемых катализаторов, режимам осуществления реакции изомеризации, методам очистки и концентрирования растворов, способам удаления непрореагировавшей лактозы, виду получаемого продукта. Однако любая технология лактулозы основана на реакции внутримолекулярной перегруппировки молекулы лактозы по механизму ^-трансформации. При этом глюкозный остаток лактозы изоме-ризуется во фруктозный, что приводит к образованию дисахарида с той же химической формулой — С12Н22Ои и молекулярной массой — 342,3, но с другими физико-химическими и биологическими свойствами. Лактулоза в два раза слаще лактозы, имеет высокую растворимость (76% при 30°С) и отрицательный угол удельного вращения плоскости поляризации света (в равновесном состоянии Ы20д = -51,4 град). В отличие от лактозы лактулоза не расщепляется в верхних отделах желудочно-кишечного тракта. Попадая в толстый кишечник, она используется бифидобактериями, количество которых резко увеличивается. Образуется целый комплекс продуктов метаболизма, которые подавляют развитие патогенной и протеолитиче-ской микрофлоры. В результате уменьшается образование токсичных продуктов белкового распада, предотвращается отравление организма, повышается сопротивляемость к различным заболеваниям.
Лактулоза не уступает в эффективности неомици-ну, но превосходит его в переносимости и не дает серьезных побочных эффектов [4].
В качестве сырьевого источника для получения лактулозы теоретически может применяться любое сырье, содержащее лактозу, в том числе цельное молоко. Учитывая нежелательное воздействие щелочной среды и высокой температуры на компоненты молока (неконтролируемый гидролиз, мела-ноидинообразование и др.), целесообразно использовать очищенные от жира и белка растворы. На практике первой технологической операцией чаще всего является растворение молочного сахара. Концентрация лактозы в растворе в разных способах колеблется в широком диапазоне — от 5 до 65%. Применение пересыщенных растворов [5] позволяет снизить энергозатраты за счет исключения первой ступени сгущения, однако требует длительной выдержки смеси при высоких температурах, что способствует процессам термического распада углеводов. К перспективным экономически выгодным сырьевым источникам следует отнести молочную сыворотку и другие виды лактозосодержащего сырья [6].
Основным технологическим процессом получения лактулозы является изомеризация лактозы в щелочной среде. Анализ литературных и экспериментальных данных позволяет выделить три основные группы катализаторов. К первой относятся гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов — доступные и недорогие реагенты, позволяющие трансформировать в лактулозу около 30% лактозы и относительно легко удаляемые известными методами деминерализации. Примером этой группы может служить способ [7], включающий очистку раствора молочного сахара с массовой долей 15-20%, нагревание раствора до 68-72°С, внесение щелочи при этой температуре, изомеризацию лактозы в лактулозу путем выдерживания раствора в течение 15—20 мин при постоянном перемешивании и достижении pH 8,8-9,0, нейтрализацию лимонной кислотой до pH 5,5-6,5, сгущение изомеризованного раствора при 50-60°С, охлаждение его, кристаллизацию лактозы и отделение ее от сиропа лактулозы. Особенностью описанного способа является частичная деминерализация раствора путем осаждения кальция в виде малорастворимых солей — цитратов. Более эффективным является другой режим изомеризации — 90-95°С в течение 6-8 мин, так как при высокой температуре образование лактулозы идет более интенсивно и достигает максимальных значений степени изомеризации при меньших значениях цветности, характеризующей накопление побочных продуктов реакции [8]. Для обеспечения точного контроля за режимом термостатирования и резкого охлаждения раствора для предотвращения распада лактулозы процесс проводят в автоматизи-
рованных пластинчатых пастеризационно-охладительных установках.
Во вторую группу катализаторов входят высокоэффективные (по данным [9] степень изомеризации до 80%), но токсичные и трудноудаляемые алюминаты и бораты. В раствор лактозы добавляют алюминат натрия в количестве 0,5-4 моля на 1 моль сахара, смесь нагревают, выдерживают в течение нескольких часов, затем алюминаты удаляются из смеси осаждением. Для этого активная кислотность регулируется соляной или серной кислотой, а для полного удаления образующегося гидроксида алюминия предлагается использовать специальные мембраны.
Третья группа катализаторов включает сульфиты, фосфиты и другие слабощелочные реагенты, дающие невысокий выход лактулозы, но обеспечивающие низкую скорость протекания побочных реакций. Один из способов [5] предусматривает внесение в насыщенные 60-65%-е растворы лактозы при 80— 110°С 0,05-0,5 моль щелочного или щелочноземельного сульфита на 1 кг моногидрата лактозы, изомеризацию последней до постоянного оптического вращения и охлаждение раствора. В другом патенте [ 11 ] в качестве катализаторов используют фосфиты, которые вносят в 55-65%-е растворы лактозы в количестве 2,1-8,6%, после чего раствор кипятится в течение 20-240 мин. По данным авторов изобретения, максимальная конверсия составляет 20% и достигается при 120 мин кипячения. После изомеризации и охлаждения раствора проводится направленная кристаллизация лактозы, отделение ее. Затем раствор подвергается деминерализации, концентрированию, повторному отделению лактозы. Готовый продукт получают в виде сиропа.
Учитывая значительный список применяющихся для изомеризации реагентов, можно сказать, что ’’идеальный” катализатор пока не найден и научный поиск в области совершенствования процесса продолжается.
Важной операцией, влияющей на качество готового продукта, является очистка изомеризованных растворов от минеральных и красящих компонентов. За рубежом с этой целью обычно применяют различные, в том числе селективные ионообменные смолы. Например [11], для удаления после изомеризации щелочного фосфита и образовавшихся органических кислот раствор пропускается через катионообменную сильнокислотную смолу, а затем через низкоосновный анионообменник. При использовании в качестве катализатора сочетания гидроксида натрия и борной кислоты [9] полное удаление соединений бора достигается при последовательной обработке раствора на сильнокислотной катионообменной, адсорбционной и борселективной смолах.
Для удаления непрореагировавшей лактозы в большинстве патентов применяют традиционный физико-химический способ ее выкристаллизации из пересыщенных растворов. При этом лактулоза, имеющая большую, чем лактоза, растворимость, остается в растворе. Кристаллизация лактозы в присутствии других моно- и дисахаридов затруднена, поэтому некоторые способы предусматривают для ускорения процесса внесение в сгущенные растворы затравки [5]. Для получения сиропа лактулозы высокой чистоты авторы [12] предусматри-
вают окисление остаточных количеств лактозы бромом и последующее удаление образовавшихся кислот на ионитах.
Хорошая растворимость лактулозы позволяет получать ее в виде концентрированных сиропов с высоким осмотическим давлением и длительными сроками хранения. Например, итальянские фирмы Иналко и Молтени — производители фармацевтического препарата лактулозы ’’нормазе” — дают гарантию сохранения свойств продукта в течение 5 лет хранения даже при комнатной температуре. Производство лактулозы в кристаллической ангидридной или тригидратной форме приводит к значительному повышению себестоимости готового продукта. Для получения сухих лактулозосодержа-щих продуктов распылительной или сублимационной сушки необходимо использование наполнителей, компенсирующих высокую гигроскопичность лактулозы в аморфной форме. В патенте [13] при производстве из молочной сыворотки стойкого при хранении порошка с лактулозой применяют полисахарид растительного происхождения.
В нашей стране исследования по получению лактулозы были впервые проведены О.Н. Яковлевой в 1960-1963 гг. Согласно разработанной технологии [14], процесс получения лакто-лактулозы состоит из следующих операций: приготовление известковой воды; растворение лактозы и фильтрация известкового раствора;
нагревание раствора лактозы при 35°С в течение 36 ч;
очистка катионитом и анионитом охлажденной смеси;
сгущение смеси;
кристаллизация лактозы и центрифугирование кристаллизата;
сушка сиропа лакто-лактулозы.
Большой вклад в разработку промышленной технологии лактулозы внесли сотрудники ВНИИМС В.Я. Матвиевский и Э.Ф.Кравченко [15]. Технологическая схема производства сиропа лакто-лактулозы, в основе которой лежит способ [7], включает следующие процессы:
приготовление и рафинация раствора молочного сахара-сырца;
изомеризация лактозы; сгущение раствора; кристаллизация и выделение лактозы; расфасовка и упаковка.
С 1980 г. целенаправленные исследования по совершенствованию технологии лактулозы проводятся в СтГТУ на кафедре технологии молока и молочных продуктов под руководством академика Россельхозакадемии А.Г. Храмцова. Разработана гибкая технологическая схема, позволяющая получать концентраты лактулозы ’’лактулак” разного уровня качества и назначения. Особенностью разработанных технологий являются высокоэффективные режимы изомеризации, применение для деминерализации электродиализа, преимущества которого заключаются в поточности, возможности полной автоматизации, незначительных потерях углеводных компонентов, обеспеченности отечественными установками. Определены возможные пути использования концентратов лактулозы, про-
ве,
со
ча
ни
ту
ос:
ва
пр
Н1 л о
во
гл;
ш<
ва
бр
ш
на
ве
и
то
ле
ло
ве
ме
со
”л
Н!
и:
3
ге]
б:
А.
Ку
ко
ще
на
пр
па
ка
ва]
пе
ре;
ДО!
вы:
ни
МУ|
,1998
;тозы
ІИХСЯ
зляет пов с ными ирмы
ІЄВТИ-
I дают
1ЄНИЄ
ітуре. нгид-с зна-[ового ержа-цион-іните-ность |] при |0 при \т поению ровле-й тех-^лозы
гково-
чение
;нной
вание
їй тех-ІИМС ;ноло-иакту-|ючает
иного
ия по ірово-ока и емика (отана ія поїзного ю раз-ффек-е для іества ности нерях ечест-жные [, про-
ведена технико-экономическая, экологическая и социальная оценка технологии. Важной составной частью проводимых в настоящее время исследований является разработка способов получения лак-тулозы без внесения реагентов, в частности на основе использования свойств электроактивиро-ванных растворов [16]. Другое перспективное направление исследований — получение бифидоген-ных кормовых и пищевых добавок на основе молочного белково-углеводного сырья, например сыворотки [17]. Разработан биологический способ глубокой очистки растворов от непрореагировавшей лактозы, основанный на селективном сбраживании ее остаточных количеств специально подобранными штаммами молочнокислых микроорганизмов [18].
Таким образом, в настоящее время созданы научно-технические основы организации отечественного промышленного производства лактулозы и разработки нового поколения молочных продуктов с бифидогенной активностью для детского и лечебно-диетического питания.
Анализ тенденций развития технологии лактулозы позволяет прогнозировать ее дальнейшее совершенствование в направлении использования мембранных методов, создания безреагентных способов на основе внутреннего потенциала системы ’’лактозосодержащее сырье”, применения возможностей биотехнологии для создания ферментов-изомераз, трансформирующих лактозу в лактуло-зу. По прогнозам зарубежных ученых лактулсзу ждет широкое использование в качестве некарио-генной подслащивающей добавки с уникальными бифидогенными свойствами в различных пищевых продуктах профилактического назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Tamura Y., Mizota Т., Schimamura S. Lactulose and its application to the food and pharmaceutical industries / / Bull. Int. Dairy Fed. — 1994. — E-Doc 289. — P. 43-53.
2. Montgomery E.M., Hadson C.S. Relations between rotating power and structure in the sugar group. Part. 27. Synthesis of a new ketose lactulose // J. Am. Chem. Society. — 1930. — 52. — P. 2101.
3. Petuely F. Der Bifidusfactor / / Dtsch. Med. Wochenschr. — 1957. — 82. — S. 1952-1960.
4. Конн Г.О., Либертал M.M. Синдромы печеночной комы и лактулоза. — М.: Медицина, 1983. — С. 339-377.
5. Пат. 288595 Австрия МКИ А61К 27/00. Способ производства концентрата лактулозы; Заявл. 07.02.69; Опубл 10.03.71.
6. Евдокимов И.А. Современное состояние и перспективы использования лактозосодержащего сырья / / Изв. вузов. Пищевая технология. — 1997. — № 1. — С. 15-17.
7. А. с. 1392104 СССР МКИ С13К 5/00. Способ получения сиропа лакто-лактулозы; Заявл. 23.03.77; Опубл. 30.05.80
8. Пат. 2101358 РФ МКИ С13К 5/00, А 23С 21/00. Способ получения сиропа лактулозы; Заявл. 14.03.94; Опубл. 10.01.98.
9. Hicks К., Raupp D., Smith W. Preparations and Purification of lactulose from sweet cheese whey ultrafiltrate // J. Agric. Food Chem. — 1984. — 32. — P. 288-292.
10. Пат. 320670 Европа МКИ C13K 13/00. Способ получения лактулозы эпимеризацией лактозы с алюминатом натрия; Заявл. 23.11.88; Опубл. 21.06.89.
11. Пат. 2031430В Великобритания МКИ С07Н 3/02. Процесс производства лактулозы; Заявл. 29.09.78; Опубл. 12.01.83.
12. Пат. 4555271 США МКИ С13Д 3/14. Способ очистки лактулозного сиропа; Заявл. 18.01.84; Опубл. 26.11.85.
13. Пат. 3716408 США МКИ С13К 9/00. Процесс производства порошка лактулозы; Заявл. 01.01.71; Опубл. 13.02.73.
14. Яковлева О.Н. Разработка методов получения углеводов для детского питания: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Киев, 1963. — 22 с.
15. Храмцов А.Г., Матвиевский В.Я., Кравченко Э.Ф. Новый углеводный концентрат для продуктов детского питания: Обзорн. информ. Сер. Молочноконсервная пром-сть. — 19/7. — № 3. — 24 с.
16. ГТат. 2092563 РФ МКИ С13К 13/00, 5/00. Способ получения сиропа лактулозы; Заявл. 14.04.95; Опубл. 10.10.97.
17. Пат. 2098977 РФ МКИ А23С 21/10. Способ производства сухой молочной сыворотки; Заявл. 18.01.96; Опубл. 20.12.97.
18. Пат. 2044774 РФ МКИ С13К 5/00. Способ получения сиропа лактулозы; Заявл. 6.11.91; Опубл. 27.09.95.
Кафедра технологии молока и молочных продуктов
Поступила 19.06.98
664.713:517
НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ПОМОЛЬНЫХ ПАРТИЙ ЗЕРНА ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ, ПОДЧИНЯЮЩИМСЯ ЗАКОНУ АДДИТИВНОСТИ
А.Ю. ШАЗЗО, С.В. УСАТИКОВ
Кубанский государственный технологический университет
Изменчивость физических, биохимических, мукомольных и хлебопекарных свойств зерна, выращенного в различных почвенно-климатических зонах, ставит перед технологами мукомольных предприятий сложную задачу по созданию помольных партий зерна со стабильными качественными показателями, обеспечивающими лучшее использование зерна и получение муки с высокими хлебопекарными достоинствами [1-5].
Смешивание различного по качеству зерна перед помолом является высокоэффективным методом стабилизации технологического процесса, повышения уровня продовольственного использования зерна и улучшения хлебопекарных достоинств муки. При составлении помольных партий на му-
комольных заводах используют несколько методов, среди которых предпочтение отдают интуитивному, основанному на личном опыте технолога и его широкой информации о качестве зерна, имеющегося на заводе. Вспомогательную роль играют методы обратных пропорций, расчета по основной партии, баланса и графический метод [ 1 —]. Применение ЭВМ позволило увеличить число компонентов смеси и учесть большее число показателей качества зерна, открыло перспективы оптимиза-ции рецептур формирования помольных партий
В настоящее время математической основой оптимизации является типовая задача линейного программирования, обобщающая классическую задачу о диете [6]. Применение аппарата линейного программирования возможно потому, что многие
