Изучение особенностей обработки соленой сыворотки методом электродиализа

Поваренная соль в сыре играет роль вкусового ингредиента, придающего продукту специфический вкус и остроту, а также регулятора микробиологических и ферментативных процессов. Содержание соли в сыре зависит от способа и продолжительности посолки, концентрации, температуры, размеров сыра и других факторов. Длительная посолка по традиционной технологии, занимающей до 15 суток, зачастую препятствует развитию микрофлоры, сдерживая ее участие в процессе созревания, поэтому все чаще сыродельные заводы применяют предварительную частичную посолку в зерне, позволяющую сократить общий срок посолки до 6−8 суток [1,5]. Это позволяет сыродельным предприятиям экономить значительные средства при обслуживании солильных бассейнов, однако, это же обстоятельство обостряет проблему утилизации соленой сыворотки вследствие еще большей ее засоленности.

В настоящее время достоверных сведений о промышленной переработке соленой сыворотки очень мало. Известно, например, что одна из новозеландских фирм применила для этой цели нанофильтрацию, удалив из соленой сыворотки 70% хлористого натрия. Из этого, однако, можно сделать вывод и о том, что размер пор в нанофильтрационной мембране был достаточно велик и, по всей видимости, наряду с минеральными веществами, мембрана пропускала в фильтрат достаточно большое количество и пищевых компонентов, например, лактозу. Электродиализный процесс обессоливания соленой сыворотки и мелассы молочного сахара-сырца, также обладающей повышенной зольностью, исследовался в течение ряда лет отечественными учеными [2,3,4,6]. Полученные результаты можно считать весьма обнадеживающими. Действительно, повышенная концентрация в соленой сыворотке хлористого натрия, являющегося сильным электролитом, обуславливает значительно более высокую ее электропроводность по сравнению с натуральной подсырной сывороткой, что и делает ее идеальным объектом для электродиализной обработки.

Объектами исследований служили образцы соленой сыворотки, деминерализованная соленая сыворотка с различной степенью обессоливания, промежуточные сывороточные растворы и концентраты.

Первоочередной задачей являлось изучения химического состава соленой сыворотки, полученной в производственных условиях. Для этого в цехе лактозы открытого акционерного общества «Сыродел» (г. Ипатово) было отобрано 15 образцов молочной сыворотки, полученной после частичной посолки в зерне твёрдого сыра «Российский».

В 15-ти отобранных, предварительно обезжиренных образцах сыворотки, определялись массовая доля: золы, в том числе хлористого натрия; сухих веществ; лактозы и белка, в том числе небелкового азота. Полученные данные приведены в таблице 1. Анализ приведённых данных, свидетельствует о большом разбросе в значениях зольности и массовой доле хлористого натрия, отражающих степень солёности сыворотки.

сыр соленый сыворотка Таблица 1 — Компонентный состав солёной сыворотки, полученной при частичной посолке в зерне сыра «Российский».

Задача следующего эксперимента заключалась в изучении гидродинамических и электрохимических параметров процесса деминерализации при ЭД-обработке соленой сыворотки, а также закономерностей изменения состава и свойств солёной сыворотки Исследования по электродиализной обработке соленой сыворотки проводились на электродиализной установке лабораторного типа ЭД-мини производства АО «Мега». Число камер обессоливания было равно 10, площадь отдельной мембраны расположенной под турбулизатором — 64 см², толщина прокладки — 1 мм, подача обрабатываемого раствора осуществлялась с торца мембраны шириной 4 см. Прокачка растворов осуществлялась специальными мининасосами производительностью 100 л/ч. Для фиксации физико-химических показателей использовались следующие приборы: кондуктометр «Эксперт-002», рH-метр «Аквилон рН-410» и рефрактометр RR-11. Электрофизические показатели снимали с амперметра и вольтметра, встроенных в блок питания ЭД-установки. Подсырную несоленую и соленую сыворотку привозили с Ипатовского сырзавода (ОАО «Сыродел»), отбирая образцы из одной партии молока, идущего на сыр.

На рисунке 1 представлена зависимость средней скорости движения соленой сыворотки в камерах обессоливания электродиализатора от ее давления на входе в камеры в сравнении с аналогичной зависимостью для подсгущенной несоленой подсырной сыворотки, использованной в качестве аналога.

Средняя скорость определялась по формуле.

где Р — фиксируемый по ротаметру расход продукта, см3/с;

b — ширина торца, см;

h — толщина камер обессоливания, см;

п — число камер обессоливания.

По-нашему мнению, перегиб графиков свидетельствует о переходе ламинарного режима течения в турбулентный режим. Как видно, такой переход для соленой сыворотки наступает при гораздо меньшем давлении и при большей средней скорости течения, вследствие чего повышается надежность работы ЭД-оборудования.

Рисунок 1 — Зависимость средней скорости течения сыворотки в камерах обессоливания от ее давления на входе: 1 — соленая сыворотка; 2 — подсгущенная несоленая подсырная сыворотка (аналог) В таблице 2 представлен состав и физико-химические показатели образцов предварительно подсгущенной подсырной сыворотки и соленой сыворотки, предназначенных для проведения сравнительных экспериментов. Стратегическая идея эксперимента на данном этапе исследований заключалась в том, чтобы сравнить гидродинамические, электрохимические и энергетические параметры при ЭД-обработке соленой сыворотки с аналогичными для подсгущенной подсырной сыворотки, выбранной в качестве ближайшего прототипа. Массовую долю сухих веществ в подсырной сыворотке доводили с 5,8−6,2 до 24% на ротационном испарителе.

Таблица 2 — Состав и физико-химические свойства подсырной сгущенной и соленой сыворотки.

В таблице 3 приведены экспериментальные данные по компонентному составу, активной и титруемой кислотности, а также доброкачественности соленой сыворотки в зависимости от её зольности. Для сравнения в той же таблице приведены аналогичные показатели для несоленой подсырной сыворотки, полученной из той же партии молока, не подвергаемой электродиализу. Видно, что по мере снижения зольности последовательно снижается и массовая доля других компонентов соленой сыворотки. Характерно, что при достижении зольности подсырной сыворотки доброкачественность ЭД-обработанной соленой сыворотки выше, чем у несоленой подсырной сыворотки. По нашему мнению, это можно объяснить сопряженным удалением, наряду с минеральными солями, других несахаров — органических кислот и небелкового азота. В таблице 4 приведены данные о темпе снижения некоторых компонентов соленой сыворотки в относительных единицах, когда исходные значения принимаются за 100%. Следует обратить внимание на высокий темп удаления небелкового азота.

Таблица 3 — Состав солёной подсырной сыворотки и аналога (p<0,05).

Таблица 4 — Массовая доля основных компонентов соленой сыворотки при различных уровнях её деминерализации электродиализом.

На рисунке 2 приведены графики зависимости массовой доли сухих веществ, лактозы, общего белка и небелкового азота, выраженных в относительных единицах, в зависимости от уровня деминерализации солёной сыворотки. На рисунке 3 представлены графики зависимости активной и титруемой кислотности от уровня деминерализации соленой сыворотки, построенные по данным таблицы 3. Значительное снижение титруемой кислотности соленой сыворотки в процессе её ЭД-обработки (от 32 0 Т до 15 0Т), свидетельствует о сопряженном удалении из неё, наряду с минеральными солями, части органических кислот, в основном, молочной кислоты. Некоторое снижение рН по мере обессоливания можно объяснить нарастанием концентрационной поляризации у поверхности анионитовых мембран со стороны продукта.

Рисунок 2 — Зависимость состава соленой сыворотки выраженного в относительных единицах от уровня деминерализации: 1 — сухие вещества; 2 — лактоза; 3 — общий белок; 4 — небелковый азот; 5 — доброкачественность.

• а)
• б)

Рисунок 3 — Зависимость активной (а) и титруемой (б) кислотности соленой сыворотки от уровня деминерализации Следующим этапом стало исследование закономерностей термокоагуляционного метода очистки частично обессоленной соленой сыворотки от белков. Был использован термокоагуляционный метод выделения сывороточных белков с подкислением до рН = 4,5 + 0,1 и температурной выдержкой 93 ±2 єС. В качестве объектов исследования выбирались образцы отсепарированной соленой сыворотки в трех повторностях с исходной зольностью 2,51 + 0,06% и тремя уровнями деминерализации: 39,6 + 0,8%; 66,1 + 0,4% и 83,7 + 0,5%. В качестве эталона были выбраны образцы подсырной сыворотки отобранные на стадии синерезиса сырного сгустка. Электродиализное обессоливание соленой сыворотки до фиксированных уровней деминерализации осуществлялось на пилотной ЭД-установке чешского производства по разработанным ранее режимам. Отделение скоагулированного белка осуществлялось на лабораторной центрифуге.

В таблице 5 приведён состав исходных и осветленных образцов сыворотки в виде дробных показателей, в которых числитель указывает на исходное, среднее по трём образцам, значение параметра, а знаменатель — на конечное (после осветления). Отклонение средних значений от крайних для всего массива данных колебалось от 0,5 до 7,5%.

Таблица 5 — Изменение массовой доли основных компонентов обессоленных образцов соленой сыворотки после термокоагуляции и выделения из них сывороточных белков.

Приведенные в таблице 5 данные позволяют выявить основные закономерности термокоагуляционного метода осветления соленой сыворотки, частично обессоленной электродиализом до различного уровня деминерализации. На рисунке 4 представлены зависимости степени выделения белков с применением термокоагуляционного метода и доброкачественности осветленной сыворотки от уровня деминерализации.

Рисунок 4 — Зависимость степени выделения белков с применением термокоагуляционного метода и доброкачественности осветленной сыворотки от уровня деминерализации На рисунке 5 приведён график зависимости степени выделения сывороточных белков, при их коагуляции термокислотным способом, от уровня деминерализации, без учёта небелкового азота. Наблюдаемое монотонное увеличение степени выделения белков от 31,5%, при нулевом уровне обессоливания, до 56,2% при уровне деминерализации 83,7% может свидетельствовать о сильном влиянии минеральных солей на устойчивость сывороточных белков. Анализ полученной зависимости показывает, что существуют три области изменения уровня деминерализации, где устойчивость белков к коагуляции претерпевает существенные изменения. В первой области (0 — 40%) происходит максимальное снижение устойчивости сывороточных белков к тепловому воздействию. Учитывая, что в этой области потеря ионогенных азотистых веществ в результате ЭД-обработки незначительная, можно считать, что наблюдаемая неустойчивость белков происходит, в основном, за счёт снижения минеральных веществ в сыворотке. Во второй области (40 — 67%) устойчивость сывороточных белков практически не меняется с увеличением глубины обессоливания. В третьей области, при уровне деминерализации выше 67%, устойчивость сывороточных белков к тепловому воздействию снова понижается.

Проведенные в данной работе исследования позволили выделить ряд особенностей соленой сыворотки, имеющих важное практическое значение.

Во-первых, состав соленой сыворотки существенно отличается от состава подсырной не только по минеральным веществам, но и по лактозе — её в соленой сыворотке на 10−15% больше. Несмотря на невысокие значения доброкачественности солёной сыворотки, можно утверждать, что обеззоливание с помощью электродиализа позволит повысить её доброкачественность, как минимум до стандартных значений, свойственных обычной подсырной сыворотке Рисунок 5 — Зависимость степени выделения сывороточных белков при их коагуляции термокислотным способом от уровня деминерализации, без учёта небелкового азота Во-вторых, электродиализное обессоливание соленой сыворотки обеспечивает эффективное удаление из неё не только минеральных солей, но и ряда органических соединений, таких как небелковый азот и органические кислоты, трудно удаляемые другими технологическими приёмами.

Эти эффекты оказывают существенное влияние на дальнейшую возможность использования соленой сыворотки на пищевые цели.

• 1. Гаврилова, Н. Т. Новое в сыроделии / Н. Т. Гаврилова // Молочная промышленность, экспресс-информация. — М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1986. — вып.7, 1986. — С. 9−10.
• 2. Евдокимов И. А., Аспекты переработки подсырной соленой сыворотки / И. А. Евдокимов, А. В. Пермяков, Н. Я. Дыкало // - Переработка молока — № 2(124). — Москва, 2010. — С.28−29.
• 3. Евдокимов И. А. Отчёт по инновационному проекту «Разработка технологии переработки и использования молочной сыворотки» [Рукопись] / руководитель И. А. Евдокимов // - Ставрополь, СевКавГТУ. — 1997. — 76 с.
• 4. Евдокимов И. А. Электродиализ молочной сыворотки (монография) / И. А. Евдокимов, А. В. Пермяков, Н. Я. Дыкало // - Георгиевск: ГТИ (филиал) СевКавГТУ, 2009. — 248 с.
• 5. Мартиросян А. А. Посолка и созревание сыра лори / А. А. Мартиросян, А. Г. Магакян, П. Ф. Крашенинин // Молочная промышленность. — 1975. — № 1. — С. 21−25.
• 6. Пермяков А. В. Альтернативные способы переработки подсырной сыворотки / А. В. Пермяков // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». — Ставрополь: АГРУС, 2013. С. 160−163.
• 7. Пермяков А. В. Современные методы и направления переработки соленой сыворотки / А. В. Пермяков, И. А. Евдокимов // Проблемы развития АПК Саяно-Алтая: материалы межрегиональной научно-практической конференции. — Абакан: Хакасское книжное издательство, 2010. — С.130−131.