CC BY
30
УДК 62-97/-98
влияние технологических факторов на выделение компонентов молочной сыворотки флокулянтами
Е.В. УЛЬРИХ, доктор технических наук, профессор (e-mail: [email protected])
Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация
Резюме. В результате проведения исследований были найдены условия повышения эффективности процесса извлечения пищевых веществ из молочной сыворотки с применением флокуляции - оптимальная концентрации флокулянта и модификатора, водородный показатель сыворотки, зависимость массы выделенного осадка от степени ионизации флокулянтов. Для осаждения компонентов сыворотки использовали анионные флокулянты марки Magnafloc с различной степенью ионизации и молекулярной массой от 10 до 30 млн а.е.м в концентрации от 0,03 до 0,1 %. Наибольшее выделение компонентов сыворотки (до 90 %) отмечено при использовании флокулянтов с концентрацией 0,05 %. Самую высокую степень осаждения компонентов сыворотки наблюдали при использовании высокоанионного флокулянта Magnafloc-919, который характеризуется высокой молекулярной массой и степенью гидролиза (около 70 %). Основная часть его макромолекул находится в фибриллярном состоянии. Такая структура способствует наилучшей адсорбции флокулянта на белковых частицах и жировых шариках, содержащихся в молочной сыворотке. Оптимальное значение рН, при котором наблюдали максимальное выделение компонентов молочной сыворотки, находится в диапазоне 4,3-4,8. При дальнейшем закислении степень выделения снижается, так как происходит разрушение белков и образование молочной кислоты. Наибольшая в экспериментах степень выделения компонентов молочной сыворотки отмечена при использовании флокулянта, модифицированного глицином.
Ключевые слова: флокулянт, молочная сыворотка, выделение полезных компонентов, белки, жиры, углеводы. Для цитирования: Ульрих Е.В. Влияние технологических факторов на выделение компонентов молочной сыворотки флокулянтами // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №12. С. 107-109.
Во многих странах мира уделяют серьезное внимание проблеме очистки сточных вод молоко-перерабатывающих предприятий в связи с высокой концентрацией содержащихся в них органических веществ. Такие отходы производства представляют собой многокомпонентную дисперсную систему, в состав которой входят белки, жиры, углеводы. Белки молока и молочной сыворотки - наиболее универсальный и ценный источник аминокислот. Однако, попадая в сточные воды, белки делают их опасными для окружающей среды вследствие потребления значительных количеств кислорода при окислении. Наибольшую часть отходов молочного производства составляют сточные воды, содержащие сыворотку и остатки молочной продукции [1]. Несмотря на большое разнообразие способов выделения белковых компонентов из молочной сыворотки, эта проблема остается актуальной и требует разработки новых, более эффективных и менее энергоемких методов, к числу которых, например, относится использование флокулянтов.
Эффективность флокуляции зависит от характеристик как флокулянта (природа и концентрация
полимера, молекулярная масса, химический состав и гидродинамические размеры макромолекул), так и дисперсной системы (концентрация дисперсной фазы, состав дисперсионной среды и др.) [2].
Цель наших исследований - поиск оптимальных параметров, обеспечивающих повышения эффективности процесса извлечения пищевых веществ из водных гетерогенных систем, в том числе из молочной сыворотки, с применением флокуляции.
Условия, материалы и методы. Известно [3], что на эффективность выделения компонентов молочной сыворотки, входящей в состав сточных вод, с помощью полиэлектролитов оказывают значительное влияние следующие технологические факторы: степень ионизации флокулянта; концентрация рабочего раствора флокулянта; удельный расход флокулянта (доза); рН сыворотки; температура сыворотки; способ подачи;
скорость перемешивания осаждаемой системы; скорость осаждения коллоидных частиц. Поиск оптимальных технологических параметров - необходимое условие для разработки эффективной технологической схемы процесса выделения компонентов.
В качестве образцов для проведения экспериментов использовали свежую молочную сыворотку, произведенную на предприятии ООО «Деревенский молочный завод» (р.п. Промышленная, Кемеровская обл.) согласно ТУ 9224-011-00427678-00: содержание белка - 0,6 %, жира - 0,1 %, углеводов - 4,7 %.
Главным показателем эффективности процесса выделения пищевых компонентов была масса осадка белка и жира.
Массовую долю белка определяли по разности показателей преломления света в молоке и безбелковой сыворотке по шкале «Белок», массовую долю лактозы - по разности показателей преломления безбелковой молочной сыворотки и дистиллированной воды [4].
Метод определения массовой доли жира в молочных продуктах с использованием рефрактометра Аббе основан на определении показателя преломления раствора молочного жира в растворителе с известным, более высоким показателем преломления. Чем больше разница между их величинами, тем точнее результаты. Показатель преломления жидкого молочного жира находится в пределах 1,4600-1,4640.
Для выделения компонентов сыворотки использовали флокулянты марки «МадпаАос»: М-24, М-156 и М-919. Они различаются степенью ионизации, гидролиза и молекулярной массой. При определении наиболее подходящего препарата из этих трех флокулянты добавляли в количестве 0,01 % от массы сыворотки. Оптимальную концентрацию определяли из ряда концентраций от 0,032 до 0,5 %.
При подборе лучших модификаторов степень осаждения взвешенных частиц (масса осадка) в при- 107
сутствии модифицированных и исходных флокулянтов определяли при температуре 20 0С и концентрации флокулянтов 0,05 %. В основном эксперименте использовали образцы флокулянта М-919, модифицированные аминокислотой (глицином, ГЛ) или про-пиленгликолем (ПГ) в дозах по 10 % каждого, а также растворы ПАА, модифицированные путем совместного воздействия одного из перечисленных химически активных модификаторов, которые добавляли в тех же дозах, что и в чистом виде, и ультразвука (УЗ) в течение 20 мин или микроволнового излучения (МВИ) в течение 6 с без нагрева.
пользования рабочих растворов ПАА более высокой концентрации уменьшается доза (объём) флокулянта, что затрудняет его точную дозировку и дальнейшее равномерное распределение макромолекул ПАА в реакционной среде.
Главный экономический и технологический показатель - расход флокулянта. Определение его оптимальной дозы представляет собой весьма сложную задачу, так как в зависимости от концентрации ПАА флокулянт может выступать в виде дестабилизатора (осадителя) или стабилизатора коллоидных систем.
На всех графических зависимостях массы осадка от расхода флокулянта имеются две характерных области максимума и минимума. В зоне I наблюдается максимальная флокуляция при оптимальной дозе 0,05 %-ного раствора флокулянта 0,6 мл на 100 мл сыворотки (рис. 2), то есть при введении такого количества полиэлектролита происходит полная дестабилизация коллоидной системы. При увеличении дозировки флокулянтов (область II) степень выделения компонентов сыворотки снижается.
Наблюдается, так называемое явление неправильных рядов [1]. Оно заключается в том, что при добавлении к дисперсной среде все возрастающего количества полиэлектролита, сначала отмечается устойчивость, затем, в определенном интервале концентраций, в нашем случае 0,6 мл происходит осаждение, далее опять проявляется устойчивость и, наконец, при избытке добавленного электролита - осаждение.
т,г
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
/
У /
30
40
50
60
70
80
степень ионизации флокулянта, %
рис. 1. Зависимость массы осадка белка и жира от сто -пени ионизации флокулянта.
результаты и обсуждение. Исследование влияния анионных флокулянтов с различннй степенью ионизации показало, что наибольшее осаждение компонентов сыворотки наблюдается при использовании высокоанионного флокулянта МадпаАое М-919 (рис. 1), который характеризуется высокой молекулярной массой и повышенной степенью гидролиза (около 70 %). Основная часть его макромолекул находится в фибриллярном состоянии. Такая структура способствует наилучшей адсорбции флокулянта на белковых частицах и жировых шариках, содержащихся в молочной сыворотке [1]. Слабоанионный флокулянт (М-24) со степенью гидролиза около 30 % почти полностью свернут в клубок, поэтому величина его адсорбции на частицах сыворотки ниже. Молекулы флокулянта М-156 со степенью гидролиза около 50 % имеют смешанное строение - глобулярное и фибриллярное. Такие системы хуже, чем фибриллярные, адсорбируются на частицах эмульсии, образуют флокулы и выпадают в осадок. Однако благодаря высокой молекулярной массе, макромолекулы М-156 осаждают взвешенные частицы быстрее и полнее, чем слабоанионный флокулянт М-24.
Экспериментально было установлено, что наиболее близкая к оптимальной концентрация флокулянта в рабочем растворе составляет 0,05 % (табл. 1).
При более низком содержании снижается устойчивость его растворов при хранении [2]. В случае ис-
т,г
1,2
0,9
о,с
0,7
—
1
III
1,6 1,!) V, мл
рис. 2. Зависимость массы осадка от расхода флокулянта:
—«--М-919 исх; —■--М-919 МВИ+Гл; —*--М-919 +
ПГ; —X--М-919 +Гл; —Ж--М-919 УЗ+Гл.
Развитие описанных процессов объясняется тем, что при весьма малых количествах введенного электролита многовалентного иона недостаточно, чтобы скоагулировать частицы дисперсной системы. В этой зоне ^-потенциал выше критического значения (30 тМ). При увеличении концентрации полиэлектролита его ионы проявляют повышенное коагулирующее действие из-за снижения величины ^-потенциала (область I). Дальнейшее наращивание концентрации поливалентного иона (область II) приводит к перезарядке поверхности частиц, что вновь делает колло-
идную систему устойчивой. В этой области величина Таблица 1. Подбор оптимальной концентрации флокулянта
Концентрация флокулянта, % I Выделение белка, % Выделение жира,%
0,03 78 65
0,05 90 88
0,07 84 79
0
1,1
0,2
0,6
о,с
1,2
1,4
рис. 3. Зависимость массы осадка от рН сыворотки: --М-919 исх; —■— - М-919 + Уз; —а— - М-919 + МВИ;
. - М-919 + Гл;
. - М-919 + ПГ.
электрокинетического потенциала опять превышает его критическое значение. Наконец, при добавлении избыточных количеств полиэлектролита происходит полное и окончательное осаждение коллоидных частиц. Экспериментально устновлено, что оптимальня область осаждения пищевых компонентов молочной сыворотки расположена в зоне I.
Таблица 2. Материальный баланс жира и белка
показывает (рис. 3), что оптимальная величина этого показателя, при которой наблюдается максимальное выделение компонентов молочной сыворотки, находится в диапазоне 4,3-4,8. При дальнейшем за-кислении сыворотки степень выделения снижается, так как происходит разрушение белков и образование молочной кислоты.
Максимальная степень выделения компонентов сыворотки наблюдается при использовании флоку-лянта, модифицированного глицином.
Расчет материального баланса по массе жира и белка, содержащихся в полученном осадке при его выделении методом флокуляции показал, что наибольшая суммарная масса осадка образуется при модификации М 919 глицином и микроволновым воздействием (табл. 2).
выводы. В результате проведенных исследований, были найдены условия повышения эффективности процесса извлечения пищевых веществ из молочной сыворотки с применением флокуляции. Лучшие результаты обеспечило использование препарата МадпаЛос М 919, что было обусловлено его наибольшей степенью ионизации и повышенной молекулярной массой, по сравнению с другими изученными препаратами. Оптимальная его концентрация составляет 0,05 %. Наибольшая суммарная масса
в осадке
Тип флокулянта Суммарная масса осадка (жир+белок), г m (лактоза) = (m1-m2), г
после флокуляции (m1) по ТУ (m)
М 919 исходный 1,0 0,7 0,3
М919+ПГ 1,047 0,7 0,352
М919+глицин 1,084 0,7 0,384
М919+глицин + ультразвук 1,025 0,7 0,325
М919+глицин +
микроволновое излучение 1,27 0,7 0,417
В нашем случае величина активности водородных ионов оказывает решающее влияние на качество и выход готового продукта, то есть степень выделения компонентов молочной сыворотки. Анализ зависимости степени осаждения пищевых компонентов из 100 мл молочной сыворотки от рН различными флокулянтами
осадка образуется при совместной модификации М 919 глицином (10 %) и микроволновым воздействием в течение 6 с без нагрева. Оптимальная величина водородного показателя, при которой наблюдается максимальное выделение компонентов молочной сыворотки, находится в диапазоне 4,3-4,8.
Литература.
1. Алексашин В.Е., Суринова Т.Л. Сгущение и обезвоживание осадков сточных вод на ленточном оборудовании. Пути совершенствования очистки коммунальных сточных вод и обработки осадков // Обезвоживание. Реагенты. Техника. 2003. №9. С. 8-16.
2. Дегтярев В. Эффективность использования различных белковых добавок в рационах ремонтного молодняка крупного рогатого скота // Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство. 2007. №7. С. 22-24.
3. Методы извлечения белковых веществ из творожной сыворотки: обзорная информ. / А.Т. Борисов, О.П. Новиков, В.Е. Степанятов, Е.А. Фетисов. М.: ЦНИИТЭИ мясомолпром, 1981. 21 с.
4. Нечаев И.Я., Афанасьева О.В. Современные технологии очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий //Молочная промышленность. 2001. №8. С.41-44.
influence of technological factors on the separation of components of whey
by flocculants
E.V. ulrikh
Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation
Summary. As a result of the research, the conditions were found to increase the efficiency of the process of extraction of nutritional substances from whey using flocculation. These conditions are the optimal concentration of flocculants and modifier, hydrogen ion concentration of serum, the dependence of weight of isolated precipitate from the degree of ionization of flocculants. To precipitate serum components it was used anionic flocculants Magnafloc with different ionization degree with a molecular weight from 10 to 30 million amu with concentration from 0.03 to 0.1 %. The highest output of serum components (up to 90 %) was obtained with high-anion flocculant Magnafloc-919, which has high molecular weight and degree of hydrolysis (about 70 %). The main part of its macromolecules is in the fibrillar state. Such structure contributes to the best absorption of flocculant on protein particles and fat globules in whey. The optimum pH value, at which there is the maximum output of whey components, is in the range 4.3-4.8. With further acidification the precipitation ratio is reduced, as there is the destruction of proteins and formation of lactic acid. The highest degree of separation of whey components was noted with the use of the flocculant, modified by glycine. Keywords: flocculant, whey, separation of useful components, proteins, fats, carbohydrates. Author Details: E.V. Ulrikh, D.Sc., prof. (e-mail: [email protected])
For citation: Ulrikh E.V. Influence of Technological Factors on the Separation of Components of Whey by Flocculants. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 107-109 (in Russ.).
