CC BY
4ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ И ЭКОЛОГИИ
INNOVATIVE SOLUTIONS IN ALTERNATIVE ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 20.10.12. Ред. рег. № 1419 The article has entered in publishing office 20.10.12. Ed. reg. No. 1419
УДК 620.952
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
С.Г. Карташов1, Е.И. Резник1, А.А. Воронков2, Г.З. Бестаев1
'Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru 2Научно-исследовательский институт фермерского машиностроения Украина, 04112, Киев, Дектяревский пр., д. 62 Тел.: 8-(1038044), 4921668, e-mail: fmnauka@sVitonline. Com
Заключение совета рецензентов: 25.10.12 Заключение совета экспертов: 30.10.12 Принято к публикации: 02.11.12
В статье предлагается новая технология сохранения оптимальной кислотности молока от доения до поставки на завод. Предложено применение безреагентной электромеханической стабилизации кислотности молочных продуктов в пределах 40 часов.
Ключевые слова: безреагентный, электрохимия, кислотность, свободные ионы водорода.
TECHNOLOGY OF THE REAGENT-FREE ELECTROCHEMICAL STABILIZATION PROCESS OF ACIDITY OF MILK PRODUCTS
S.G. Kartashov1, E.I. Reznik1, A.A. Voronkov2, G.Z. Bestaev1
'All-Russian Scientific Research Institute of Agricultural Electrification 2, 1-st Veshnyakovski pas., Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171-19-20, fax: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru 2Scientific Research Institute of Farming Machinery 62 Dektyarevski ave., Kiev, 04112, Ukraine Tel.: 8-(1038044), 4921668, e-mail: fmnauka@sVitonline. com
Referred: 25.10.12 Expertise: 30.10.12 Accepted: 02.11.12
The article offers a new technology of preservation of optimum acidity of milk from milking to supply to the plant. Proposed use of reagent-free electro-mechanical stabilization of acidity of milk products in the limits of 40 hours.
Keywords: reagent-free, electrochemistry, acidity, free hydrogen ions.
Сельское хозяйство России является важной составляющей частью экономической и социальной системы страны, потому что за Россией исторически закреплен статус промышленно-земледельческой державы.
Больше половины в структуре производства сельскохозяйственной продукции приходится на животноводство. Особое внимание при этом уделяется развитию производства молока. Молоко и молочная продукция занимают весомое место в мировых ре-
сурсах продовольственной продукции. Общий объем его производства в мире составил в 2011 г. 715 млн тонн, он увеличился на 21% по отношению к 1990 г. [1-5].
Процесс технологических и структурных изменений происходит сейчас в международной молочной промышленности, что обусловлено повышением экономических требований к технологии производства и переработки продукции, а также процессами интеграции, которые происходят на мировом рынке.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Для организованного рынка характерным является высокий уровень рентабельности переработки молока, что обеспечивает гарантированное качество производственной продукции. Во всем мире на молокозаводы поступает приблизительно 70% молока от произведенного. Здесь кислотность является важным показателем сортности молока и продуктов его переработки.
В настоящее время в хозяйствах России зачастую на 100 га сельскохозяйственных угодий приходится 6-8 молочных коров, а среднее количество по стране - 16 коров при 60 по международным нормам. Из-за сокращения численности крупного рогатого скота (КРС) происходит нарушение рациональной системы земледелия, уменьшается количество органических удобрений и увеличивается количество минеральных, нерастворимые элементы которых загрязняют почву и снижают ее плодородие.
По мнению российских ученых, если увеличить численность коров с 16 до 30 голов на 100 га угодий, улучшится структура посевных площадей, что повлечет повышение плодородности земель, увеличит урожайность зерновых культур и продуктивность КРС. Ученые считают, что численность населения и продуктивность скота тесно связаны с интенсивностью использования земли.
В последние годы для отечественных производителей молока сложилась не самая простая ситуация: производство молока в России не успевает за ростом потребностей промышленности в молочном сырье. Отечественная молочная промышленность зависит от импорта на 17% (в основном это ввоз сырья из Белоруссии). При этом стоит учитывать, что она обеспечивает не все потребности рынка. В России, например, производится только 50-55% потребляемого масла и сыра. В производстве этих продуктов объем импорта является значительным и занимает более 80% производимой в России продукции и около 45% от представленной потребителю.
Учитывая состояние отечественной отрасли молочного скотоводства и обеспечение предприятий по переработке молока сырьем, стратегической задачей государства должно стать возрождение молочных товарных ферм с численностью 400-800 коров и создание новых, полностью механизированных, на 10-25, 25-100 голов КРС, которые смогут широко освоить современные технологии производства молока, а перерабатывающая промышленность - молочных продуктов.
Для этого необходимо стратегию стабильного инновационного развития молокопродуктового комплекса обеспечить выполнением следующих условий:
- обеспечить государственную поддержку товаропроизводителей в потреблении современных (мирового уровня) отечественных машин и оборудования для молочных ферм;
- усовершенствовать структуру молока и моло-копродуктов и внедрять эффективные методы их регулирования.
На основании изложенного и анализа мировой тенденции производства молока считаем, что значительную долю будут занимать фермы с поголовьем до 100 коров, в которых сбор молока для поставки на молокоперерабатывающий завод может быть 24 часа и более, что приводит к скисанию. Применяемые сегодня охладители молока для сохранения его качественных показателей для малых ферм неэффективны и дороги.
Цель работы - разработка новой технологии сохранения оптимальной кислотности молока от доения до доставки на завод на основе метода безреа-гентной электрохимической стабилизации кислотности молочных продуктов в пределах 40 часов.
Активная кислотность определяется концентрацией свободных ионов водорода и выражается водородным показателем - отрицательный логарифм концентрации свободных ионов водорода, находящихся в растворе, выражается в единицах водородного показателя рН.
В растворах неорганических веществ соли, кислоты и щелочи разделяются на составляющие их ионы. При этом ионы водорода Н+ являются носителями кислотных свойств, а ионы ОН- - носителями щелочных свойств. В сильно разбавленных растворах кислотные и щелочные свойства зависят от активностей ионов аН и аОн, то есть от тех же концентраций, но с поправкой на коэффициент активности у, который определяется экспериментально. Для водных растворов действует уравнение равновесия аНхаОН = Ку, где Ку - константа, ионное произведение воды (Ку = 10-14 при температуре воды 22 °С). Из этого уравнения следует, что активность ионов водорода Н+ и активность ионов ОН- связаны между собой. Датским биохимиком С.П. Соренсоном в 1909 г. был предложен водородный показатель рН, равный по определению десятичному логарифму активности водородных ионов, взятому с минусом (Рапопорт С.И. и др.): рН = - 1я(ин).
Исходя из того, что в нейтральной среде аН = аОН, и из выполнения равенства для чистой воды при 22 °С: аНхаОН = Ку = 10-14 получаем, что кислотность чистой воды при 22 °С (то есть нейтральная кислотность) = 7 ед. рН. При рН > 7 раствор считается щелочным, а при рН < 7 - кислым.
Активная кислотность определяется потенцио-метрическим методом на рН-метре. В свежем молоке рН = 6,68, то есть молоко имеет слабокислую среду, так как в нем присутствуют соли (фосфорнокислые и лимоннокислые), белки и углекислый газ.
Титруемая кислотность измеряется в градусах Тернера (°Т). В соответствии с ГОСТ 3624-92 титруемая кислотность показывает количество кубических сантиметров децинормального (0,1 К) раствора щелочи, пошедших на нейтрализацию 100 см3 молока или 100 г продукта с двойным объемом дистиллированной воды в присутствии индикатора фенолфталеина. Момент окончания титрования - это появление слабо-розового окрашивания, которое не исче-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
С.Г. Карташов, Е.И. Резник и др. Процесс безреагентной электрохимической стабилизации кислотности молочных продуктов
зает в течение 1 минуты. Титруемая кислотность свежевыдоенного молока = 16-18 °Т, допустимое значение для нормального молока 15,99-20,99 °Т.
Количество кислоты, которое необходимо добавить к 100 см3 молока, чтобы изменить его рН на единицу, называется буферной емкостью молока.
Буферные системы обладают способностью поддерживать постоянный рН среды при добавлении кислот и щелочи. Они состоят из слабой кислоты и ее соли, образованной сильным основанием, или из смеси двух кислых солей слабой кислоты. Чем выше в молоке буферных свойств, тем больше потребуется кислоты или щелочи для изменения его рН.
Окислительно-восстановительный потенциал -это способность составных веществ молока присоединять или терять электроны. Молоко содержит химические соединения, способные легко окисляться и восстанавливаться: витамин С, витамин Е, витамин В. Потенциал молока обозначается Е (электрический потенциал, выраженный в вольтах) и равен 0,25-0,35 В. Е определяют потенциометрическим методом. Факторы, влияющие на изменение Е: если нагревание молока уменьшает Е, то наличие металлов и микроорганизмов повышает Е.
Окислительно-восстановительный потенциал молока служит косвенным методом определения бактериальной обсемененности молока.
Изменение кислотности молока чаще всего происходит между доением и доставкой на молокопере-рабатывающий завод, что приводит к его скисанию и брожению. Для замедления процесса скисания - подавления жизнедеятельности микроорганизмов -молоко подвергают охлаждению. Замедление развития микрофлоры происходит при температуре, близкой к замерзанию продукта. Но некоторые микроорганизмы только качественно видоизменяются, и, в частности, такие, как психрофилы, в состоянии развиваться при температуре +5-0 °С. То есть угроза микробиологического загрязнения остается, несмотря на значительные энергетические затраты.
Использование других способов стабилизации кислотности (ультрафиолетовое облучение молока, пропускание через бактерицидные фильтры), не очень эффективны, требуют добавления соды, раствора аммиака, других запрещенных стандартами реагентов, которые негативно отражаются на качестве молока.
Однако эффективность подавления жизнедеятельности микроорганизмов зависит не только от температуры, но и от других факторов, в том числе и от рН продукта. Максимальное значение рН для развития микроорганизмов колеблется от 4,0 до 8,0, и для большинства из них отклонение от этих значений может существенно замедлить рост микробной клетки. Таким образом, регулируя рН молочного продукта, можно уменьшить скорость микробиологических процессов и удерживать значение кислотности в необходимых пределах.
В этой связи предлагается новая технология, позволяющая увеличить время сохранения оптимальной кислотности молока от доения до доставки на завод. Исследования этой технологии были проведены в Украине Институтом коллоидной химии и Научно-исследовательским институтом фермерских машин (НИИфермаш).
Технология заключается в применении метода безреагентной электрохимической стабилизации кислотности молочных продуктов. Основа метода -электрохимическая активация, т. е. обработка свежего молока в электролизере с керамическими мембранами и электродами: анод - титан с покрытием диоксида марганца, что продлевает срок его службы в 5 раз, катод - пищевая нержавеющая сталь. Технология процесса заключается в том, что ионы ОН-, которые генерируются под действием постоянного тока на катоде, взаимодействуют с ионами Н+ молока, уменьшая тем самым его кислотность.
Молоко как полидисперсная смесь неорганических и органических веществ содержит частицы с разными электрическими зарядами: нейтральные молекулы, положительно и отрицательно заряженные ионы солей, жировые шарики с собственным зарядом, а также электрически заряженные коллоидные частицы белка.
Основными носителями электрического тока являются ионы солей, присутствие которых в молоке достаточно для того, чтобы электропроводность молока была относительно постоянной величиной, которая колеблется в пределах (38-62)-104 Ом-1-см-1.
При пропускании постоянного электрического тока через молоко все заряженные частицы молока начинают мигрировать к аноду или катоду в зависимости от их заряда. Основной белок молока казеин при наложении электрического поля движется к аноду, окисляется, создавая сплошную пленку. На поверхности анода наряду с окислением происходит выделение газообразного хлора, который частично растворяется с образованием хлороватистых кислот. Некоторые витамины, которые содержатся в молоке, также способны окисляться на аноде. Поэтому электроактивацию молока необходимо проводить, избегая его прямого контакта с анодом, в аппаратах с разделительной диафрагмой электродных пространств, подавая молоко в катодную камеру. Разделительными диафрагмами могут быть керамические неорганические мембраны, которые применяются в ультрафильтрационных аппаратах при концентрировании молочных продуктов.
В процессе электроактивации молока в катодной камере происходит реакция с образованием гидро-ксильных ионов и газообразного водорода: Н2О + 2е ^ ^ 2ОН-+ Н2.
Гидроксильные ионы нейтрализуют созданные при окислении ионы Н+ и приостанавливают скисание молока.
Исследования проводились с использованием электролизера проточного типа, камеры электродных
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
пространств которого разделены трубчатой керамической мембраной, содержащей 70% оксида алюминия и 30% оксида циркония. Катодом служила пищевая нержавеющая сталь, анодом - титан с покрытием диоксида марганца. Молоко подавалось в катодную камеру, а в анодную подавали обычную водопроводную воду. Сила тока при этом составляла 50 мА, а напряжение 11 В. Кислотность измеряли иономет-ром И-130М в соответствии с ГОСТ 362-92. Кислотность свежего молока по шкале Тернера колебалась в диапазоне 16-21 °Т, а рН в диапазоне 6,4-6,8, что соответствовало требованиям ГОСТ 13928-84.
Результаты исследований показали, что обработанное в электролизере молоко может сохранить первоначальную активную кислотность рН = 6,6 в течение 40 часов при температуре +25 °С. Кроме того отмечено выпадение в осадок тяжелых металлов (свинец, цинк, никель, кобальт), попавших в молоко через загрязненные корма, съеденные коровами.
Опыты, близкие к промышленным, проводились на Лохвицком молокоперерабатывающем комбинате Полтавской области, Украина. Были получены положительные результаты. Апробация показала, что использование электрохимического аппарата позволяет повысить стойкость молока к скисанию без
применения охлаждения и введения реагентов. Технологический процесс малозатратный, агрегат несложный, позволяющий автоматизировать процесс.
Материал емкости для хранения молока должен быть диэлектриком для сохранения окислительно-востановительного электрического потенциала в обработанном молоке.
Список литературы
1. Базова Г. Основа рентабельного производства молока - ресурсосберегающие технологии // Молочное и мясное скотоводство. 2007. № 3. С. 13-14.
2. Васильчак С.В. Формирование рынка молока в Европейском Союзе: уроки для Украины // Экономика АПК. 2005. № 5. С. 139-143.
3. Ладика В. Мировой молочный рынок: состояние и перспективы // Пропозиция. 2009. № 3. С. 51-54.
4. Камилова С.Р. Система управления рынком молочной продукции в Европейском Союзе // Экономика АПК. 2003. № 8. С. 156-160.
5. Food and Agriculture Organization of the United Nations [электронный ресурс] http://www.fao.org/ about/ en/.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
