Повышение эффективности выделения белков из вторичного молочного сырья

В связи со вступлением России в ВТО, перед молочной промышленностью страны встаёт ряд задач, в соответствии с которыми необходимо уделять повышенное внимание теоретическим и практическим аспектам совершенствования способов и созданию принципиальных инновационных схем переработки вторичного молочного сырья (ВМС).

В условиях дефицита финансовых средств вопросы ресурсои энергосбережения, а также экологичности производства остаются у многих перерабатывающих предприятий на втором плане, и это очень опасно. После вступления России в ВТО у молочной промышленности, как подчеркивает президент Молочного союза России, академик РАСХН В. Д. Харитонов, будет всего 2−3 года на решения этих проблем. И если за это время отрасль не подтянется, то процесс банкротства и ликвидации многих предприятий станет реальной угрозой [5].

Основные задачи и современные направления развития молочной отрасли отражены в контексте реализации «Доктрины продовольственной безопасности РФ до 2020 г.», утвержденной Указом Президента РФ № 537 от 12.05.09 г. «Решение вопроса продовольственной безопасности — комплексная проблема, и ее решение может быть осуществлено лишь с позиций инновационной модели развития экономики и, прежде всего, агропромышленного комплекса», — считает вице-президент РАСХН, директор ВНИИ экономики сельского хозяйства И. Г. Ушачев.

Для России вопросы продовольственной безопасности являются особенно важными не только с экономической, но и с социальной и политической позиций. Государство, не обладающее продовольственной независимостью, не может чувствовать себя безопасным в современном мире.

Фактически «Доктрина продовольственной безопасности» стоит на трех смысловых китах: доля собственного производства по основным видам продовольствия, качество этого продовольствия и его доступность для населения [3].

Основные пути решения этих задач по производству доступной продукции в необходимых объёмах лежат, как в сфере сельского хозяйства (прежде всего, в животноводстве), так и в сфере переработки молока.

В сфере переработки главной проблемой является отсутствие комплексности переработки молочного сырья. Прежде всего, это нерациональное использование вторичного молочного сырья, в частности, молочной сыворотки, что приводит к потере ценнейших компонентов, наиболее важными из которых являются сывороточные белки. В период перестройки эта подотрасль по существу деградировала, что способствовало отставанию в техническом уровне отечественных предприятий от иностранных производителей.

В этой связи, в настоящее время актуальным является разработка инновационных ресурсоэнергосберегающих технологий, определяющих конкурентоспособный рынок отечественных молочных продуктов. При этом, конкурентоспособность, по нашему мнению, должна обеспечиваться как за счет комплексного использования ВМС, так и путем придания молочным продуктам новых функциональных качеств, отвечающих приоритетным национальным проектам — развитие АПК и сохранение здоровья.

Нами предлагается один из вариантов решения данных задач, благодаря применению в комплексной переработке молочного сырья полисахарида животного происхождения — хитозана. Разрешение Минздрава РФ и контролирующих организаций ряда зарубежных стран на использование хитозана в качестве пищевой и лечебно-профилактической добавки, открыли широкие перспективы его применения в инновационных технологиях продуктов для здоровья.

Исследование закономерности процесса фракционирования белков из ВМС полисахаридом хитозаном представляет и определенный научный интерес. В большинстве случаев зависимость устойчивости дисперсий от количества добавленного высокомолекулярного соединения (хитозана) проходит через явно выраженный минимум. Снижение устойчивости, наступающее в результате агрегации частиц, вследствие их связывания через молекулы адсорбированного реагента, принято называть флокуляцией. Это определение базируется на представлениях Ла Мера о том, что длинная макромолекула способна одновременно присоединяться к двум или нескольким частицам, связывая их через полимерные мостики [2].

Известно, что хитозан представляет собой длинноцепочечную молекулу с большой молекулярной массой, доходящей до нескольких миллионов Дальтон, которая обладает высокой плотностью положительных зарядов [10]. С другой стороны, белковые частицы молочного сырья, в связи с превалированием в их структуре карбоксильных групп, обладают отрицательным зарядом, причем, молоко и сыворотка имеют кислую реакцию [4].

Первые исследования по применению хитозана в молочной отрасли в качестве комплексообразователя проводились на кафедре прикладной биотехнологии «Ставропольского государственного технического университета» (ныне СевКавГТУ): Василисиным С. В., Евдокимовым И. А., Храмцовым А. Г., Алиевой Л. Р. 8] и их учениками. В числе последних разработок кафедры — низкотемпературное выделение белков ВМС, предусматривающее использование в качестве сырья смеси обезжиренного молока и творожной сыворотки в различных соотношениях [патент № 2 432 773]. Технология предусматривает внесение в эту смесь хитозана в виде геля, перемешивание, выдержку, самопроизвольное разделение смеси на белково-хитозановый комплекс (БХК) и безбелковую жидкость.

Взаимодействие двух биополимеров — молочного белка и хитозанапроисходит сразу после внесения и интенсивного перемешивание раствора хитозана с молочной основой, что характерно для физической адсорбции или адсорбционной флокуляции.

В качестве комплексообразователя нами использовался кислото-растворимый хитозан, полученный из панцирей крабов, со степенью деацетилирования (83−85)% и молекулярной массой более 200 кДа. Разделение системы происходило при температуре 22 °C, дозировка гель-хитозана при этом варьировалась от 2 до 18%, а время выдержки — 60 мин.

Поэтапное исследование по фракционированию белков молока коллоидным раствором хитозана, наглядно представлено на рисунках 1,2,3,4.

Рисунок 1 Фотография молочной смеси: 35% обезжиренного молока + 65% творожной сыворотки Рисунок 2 Фотография молочной смеси после добавления 4% гель-хитозана и перемешивания Рисунок 3 Фотография БХК, выпавшего в осадок Рисунок 4 Фотография надосадочной жидкости Количественное содержание хитозана в образцах БХК, выделенных из систем: «А» — 35% обезжиренное молоко + 65% творожная сыворотка + 4% гель-хитозана; «В» — 35% обезжиренное молоко + 65% творожная сыворотка + 9% гель-хитозана, определяли с использованием колори-метрического метода (на спектрофотометре Apel PD-303S), основанного на взаимодействии аминогрупп хитозана с красителем нингидрином [6]. Результаты экспериментов по количественному определению хитозана в образцах БХК представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание хитозана в составе БХК.

Как видно из данных таблицы 1, при разделении системы основная масса хитозана, переходит в белковый комплекс, что дает основания говорить о функциональных свойствах получаемых БХК, т.к. хитозан обладает рядом уникальных полезных свойств [7]: иммуностимулирующей активностью; хорошей адгезией; биосовместимостью; биоинертностью; бактериостатичностью; способностью поглощать холестериновый комплекс и др.

На молекулярном уровне процесс образования электростатических комплексов можно рассматривать как последовательное присоединение макроионов белка (лигандов комплекса) к макроиону полисахарида (ядру комплекса). Белок можно считать лигандом на том основании, что в комплексе на один макроион полисахарида обычно приходится большое число меньших по размеру макроионов белка. Образование комплекса «белок — полисахарид» может сопровождаться как изменением баланса сил, определяющих характер внутри и межмолекулярного взаимодействия белковых глобул, так и образованием частиц комплексов, различающихся по размеру, форме, заряду, степени гидратации и т. д.

Для различного соотношения компонентов в молочной основе нами найдены зоны наиболее эффективного процесса комплексообразования, установлены основные факторы, определяющие интенсивность процесса разделения и влияющие на реологические свойства БХК (рН системы, время экспозиции, доза внесения гель-хитозана и др.). Остаточное содержание белков в осветленной сыворотке определяли по методу, разработанному ВНИМИ [9], а консистенцию БХК — сенсорными методами. Результаты исследований по эффективности выделения белков приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Эффективность выделения белков при различных значениях входящих параметров.

В результате проведенных исследований уставлено, что процесс разделение системы происходит выше изоэлектрических точек основных фракций белков. Взаимодействие хитозана происходит как с казеином, так и сывороточными белками, в результате чего формируется пространственный каркас, при этом наблюдается образование различного по структуре белкового сгустка. Установлено, что с увеличением доли обезжиренного молока увеличивается доза внесения раствора хитозана, эффективность выделения белка и время разделения смеси, а реологические характеристики БХК последовательно изменяются от мягкой сметанообразной консистенции до плотной, желеобразной и даже резинистой структуры.

Зависимость влажности БХК от дозы внесения раствора хитозана для различных соотношений компонентов молочной смеси, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Диаграмма изменения влажности БХК в зависимости от дозы внесения гель-хитозана для различных соотношений компонентов молочной смеси Исследование гидрофильных свойств БХК, выделенных из систем с различным соотношением компонентов, показывает влияние дозы внесения хитозана на сорбционную способность БХК, увеличивающуюся с повышением относительного содержания хитозана в системе «молочная смесь: раствор хитозана».

Надосадочная безбелковая фракция, получаемая после разделения системы, представляет собой прозрачную жидкость, без характерного запаха сыворотки, состоящую в основном из раствора лактозы и солей. Эта фракция, благодаря остаточному содержанию хитозана, может быть использована в качестве основы для различных функциональных напитков, а также в хлебобулочной и кондитерской промышленности [1].

В традиционных способах получения белковых, в том числе творожных продуктов, степень выделения белков относительно невысока (75−80%), при этом 80−85% молочного сырья, в виде молочной сыворотки, используется неэффективно, а энергетические затраты значительны. Использование коллоидного раствора хитозана позволяет осуществить процесс совместного выделения казеина и сывороточных белков из ВМС с большей эффективностью (до 90%) при низких температурах (около 20 °С). Изменяя соотношение между количеством обезжиренного молока и творожной сыворотки в молочной смеси можно приближать БХК к составу белков в женском молоке, что будет способствовать улучшению физических свойств (мягкоствораживаемости) и повышению биологической ценности. Данная технология позволяет регулировать свойства белковых концентратов по влажности и реологическим характеристикам, а за счет содержания хитозана придавать БХК ещё и функциональные свойства.

Технология является экологически безопасной и позволяет исключить ущерб, наносимый окружающей среде в результате сбросов творожной сыворотки.

В качестве примера представлена себестоимость БХК, выделенного из системы, включающей 35% обезжиренного молока + 65% творожной сыворотки + 4% гель-хитозана, в сравнении с творогом 18% жирности.

Калькуляция себестоимости БХК в сравнении с творогом приведена в таблице 3.

Таблица 3.

Сравнение себестоимости БХК и творога.

Разработанная технология адекватна рыночным условиям и не требует капитальных затрат. Она может быть внедрена на имеющемся оборудовании, способствует удешевлению технологического процесса и открывает возможности получения широкого спектра конкурентоспособных молочно-белковых продуктов.

• 1. Алиева, Л. Р. Разработка технологии напитков из молочной сыворотки с применением хитозана [Текст]: дис. … канд. техн. наук: 05.18.04: защищена 25.06.2003 / Алиева Людмила Руслановна. Ставрополь, 2003, 168 с.
• 2. Баран, А. А. Флокулянты в биотехнологии / А. А. Баран, А. Я. Тесленко // Ленинград: Химия. 1990. 144 с.
• 3. Барсукова, С. Ю. Доктрина продовольственной безопасности России: оценка экспертов / ГНУ ВНИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии // Internet: http:/www.kapital-rus.ru/articles.
• 4. Крашенинин, П. Ф. Получение и использование белков подсырной сыворотки / П. Ф. Крашенинин, В. М. Богданов, А. Г. Храмцов, Н. Д. Цветкова, Г. Е. Еремин, Е. Ф. Кравченко. ЦНИИТЭИмясомолпром, Москва 1973. С. 33.
• 5. Лабинов, В. В. Текущая ситуация в молочной отросли мира и России / В. В. Лабинов // Молочная промышленность. 2011. № 9. с. 67−68.
• 6. Лопатин, С. А. Новый колориметрический метод определения хитозана / С. А. Лопатин, С. В. Немцев, В. П. Варламов // Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана: материалы Шестой Международной конференции — М.: изд-во ВНИРО. 2001. с. 298−299.
• 7. Новик, А. А. Применение препаратов на основе хитина и хитозана в медицине [Текст] / А. А Новик, В. Н. Цыган, К. Д. Жоголев, В. Ю. Никитин // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М.: ВИНИТИ, 2000. вып. № 8. с. 90−106.
• 8. Патент № 2 432 773 Российская Федерация, МПК А23J1/20, А23С21/00 Способ получения белкового концентрата из вторичного молочного сырья [Текст] / Евдокимов И. А., Василисин С. В., Воробьёв Е. В., Золоторёва М. С., Алиева Л. Р., Бучахчян Ж. В.; заявитель и патентообладатель СевКавГТУ — № 2 010 106 529/10; заявл.24.02.2011; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31. 6 с.
• 9. Фетисов, Е. А. Ускоренный метод определения массовой доли белка в сыворотке [Текст] / Е. А. Фетисов, Л. С. Толстухина // Молочная промышленность. 1982. № 7. с. 14.
• 10. Kristansen A., Varum К., Gasdalen Н. Quantitative Studies of the Nonproductive Binding of Lysozyme to Partially Nacetylated Chitosans.- Internet: http//elibrary.com.