Исследование химико-технологических закономерностей процесса окисления лактозы с целью разработки технологии лактобионовой кислоты

Научный и. практический интерес: исследователей всего мира к молочному сахару (лактозе) не угасает более чем 400 лет. Систематически на протяжении более векаизучается? проблема производства и использования лакгозьг и ее, производных. Этойшроблеме уделяется постоянное внимание со стороны Международной молочной федерации (ММФ).

Несмотря на то, что на данныймомент имеется/ большое количество работ по химии лактозы, данных в области ее химических превращений недостаточно^ так как в органическошхимиишсновное внимание обращается на новые сложные производные, в то время какнаука омолокенацеленаглавным образом, на практическое использование лактозы как таковой [23]. Хотя идея использования лактозы в качестве сырья для. химических или биологических преобразований была актуальна на протяжении десятилетий, незначительный прогресс был достигнут в технологии, переработки лактозы. В настоящее время учеными получено большое количество разнообразных производных лактозы, системный перечень которых составляет более 100 наименований. Только два химических, производных лактозы применяются в промышленных масштабах — лактулоза и лактитол. Лактулозу получают путем" изомеризации лактозы, алактитол — в ходе ее восстановления.

Другим способом получения производных лактозы является процесс окисления, в результате которого можно получить, такой: продукт, как лактобионовую кислоту.

Лактобионовая кислота интересна-. своими хелатирующими свойствами: [25]. Это важный компонент растворов для сохранения органов во времятранспортировки. Она представляет собой новый ингредиент в продукциипо уходу за кожей с мощными антиоксидантными. и увлажняющими.- свойствами. Кроме того, производные лактобионовой кислоты проявляют антикоагулянтную и антитромботическую активность.

Поэтому разработка эффективного способа получения лактобионовой кислотыиз лактозы путемокисления весьма актуальна. Вследствие чего было решено посвятить настоящую диссертационную работу разработке технологии лактобионовой кислоты как основного продукта окисления лактозы.,.

В связи с увеличением производства молока и молочных продуктов, как, в России, так и за рубежом, в последние десятилетия! остро стоит проблема" утилизацииотходовмолочной промышленностиПромышленная переработка: молока традиционными способами в различные продукты, питания (сливочное масло, творог, сыр, казеин) связанас получением вторичного сырья?, в виде: обезжиренного!: молокапахты* и молочной сыворотки., На сегодняшний день удельный вес вторичных продуктов составляет 2/3 ресурсов молока [45]. По данным ММФ из более 200 млн. тонн сыворотки, получаемой-в-мире, 50%. сливается*в канализацию. Потери ценнейшего молочного белка составляют около 400- тыс. тонн, а лактозы -1600 тыс. тонн. Рациональное использование-обезжиренного молока и пахты на пищевые: и кормовые цели" в настоящее время практически решены: Что: касается? молочной^ сыворотки, тоее теряется болееполовиныНасовременном этапе развития молочной промышленности актуальным является разработка эффективных технологий глубокой переработки молочной сыворотки. Возникает вопрос — существует ли в принципе возможность получения, на основе сыворотки уникальных продуктов, нужных и полезных человеку?

Основным компонентом молочной, сыворотки является молочный сахар (лактоза). Модификация свойств лактозы, с применением, химических и бйотехнологических методов наиболее эффективный путь к решению проблемы утилизации молочной сыворотки.

Целыо диссертационной работы является исследование: химико-технологических закономерностей окисления лактозы для разработки технологии получения и определения направлений использования лактобионовой кислоты.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы: научно-техническое обоснование выбора направления исследований и целесообразности разработки технологии лактобионовой кислотырезультаты анализа альтернативных сырьевых источников лактозы для производства лактобионовой кислотырезультаты экспериментальных исследований и анализ закономерностей процессов окисления лактозы в истинных растворахразработка способа идентификации и количественного определения лактобионовой кислоты физико-химическими методамиоптимизированные технологические параметры производства лактобионовой кислотырезультаты экспериментальных исследований с анализом влияния лактобионовой кислоты на свойства микроорганизмов для определения возможных путей использования этой кислотыразработка технологии и аппаратурного оформления процесса производства лактобионовой кислотыанализ экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

1. Андросова, Н: Л. Разработка новых видов кисломолочных продуктов длда детского питания / Н. Л. Андросова, Н. К. Никонова, Е. П. Барышенкова // Материалы 1-го Всероссийского Конгресса «Питание детей XX1. век «. М. — 2000. — с. 143.

2. Асонов, Н. Р.' Микробиология: 3-е изд., перераб. и доп: М.: Колос, 1997.-32 с.

3. Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента, в химии и химической технологии-/ С^ Л^ АхназароваВ: В. Кафаров. М.: Высшая школа, 1978. -319 с.

4. Бабенышев, С. П. Научно-технические аспекты совершенствования процесса баромембранного разделения жидких высокомолекулярных. полидисперсныхсистем: Автореф. дисс.. докт. технич. наук. Ставрополь, 2007. — С. 16 — 17.

5. Багиев, Г. ЛМаркетинг / Г. Л. Багиев, В. М. Тарасевич, X. Анн. -М.: Экономика, 2001. 718 с.6: Богатова, О. В. Химия и физикамолока / О, В. Богатова, Н. Г. Догарева Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. — 137 с.

6. ГОСТР53 438−2009Сывороткамол очная. Технические условия;

7. Грабчак, С. Л: Способгидролиза лактозы всывороточном-концентрате / С. Л'. Грабчак, Л:. С. Иванова, Г. В. Кричевская // Агропром Украины. 1990. — № 12. — С. 40 — 41.

8. ГрачевЮ. П1 Математические методы планирования/ экспериментов / Ю. П. Грачев. — М.: Пищевая промышленность, 1997. -200 с.

9. Ефименко, Е. А. Использование сгущенной гидролизованной молочной сыворотки в рационах молоднякшсвиней:.Автореф. дисс.. канд. биол. наук. -М., 1998: С. 15 — 16.

10. Карликанова, С. Н. Антибйотико-активные молочнокислые бактерии в производстве продуктов ' гарантированногокачества / С. Н. Карликанова. -М.: Ц11ИИТЭИ мясомолнром, 1983. 325 с.

11. Корнелаева, Р. Г1. Санитарная микробиология сырья ¦ и продуктов животного происхождения / Р. ПКорнелаева, П. П. СтепаненкоЕ. В. Павлова. М.: ООО Полиграфсервис, 2006. — с. 15 — 18.

12. Кунижев, С. М. Унифицированные методы определения Сахаров в пищевых продуктах с помощью газовой хроматографии / С. М. Кунижев, И. П. Чепурной, О. Э. Линке // Метрология и стандартизация аналитических измерений. Новосибирск. 19 901 С. 138−139.

13. Лактобионовая кислота и перспективы ее использования / М. В., Грицаева, А. В. Серов, С. А. Рябцева, А. Г. Храмцов // Молочная промышленность! — 2008. — № 12. — С. 51−52″ .

14. Лактоза и ее производные / Б. М.' Синельников, А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов, С. А. Рябцева, А. В. Серовнауч. ред. акад. РАСХНA. Г. Храмцова. СПб. ¡-.Профессия, 2007. — 768 с.

15. Лактулоза: ценность, использование, маркетинг и эффективность производства: Монография / А. Г. Храмцов, Б. А. Брыкалов, А. В. Брыкалов и др. Ставрополь: Агрус, 2004. — 140 с.

16. Лащинина, Е. Полиоксикислоты новое поколение косметических ингредиентов* / Е. Лащинина // Журнал по прикладной эстетике. — 2008. — № 6. — стр. 62−65.

17. Лурье, Ю. Ю: Справочник по аналитической’химии. М: Химия, 1989. 448 с:

18. Миронов, В. А. Спектроскопия в органической химии /B. А. МироновС. А. Янковский. М1: Химия, 1985. — 232 с.

19. МР 2.3:2.2327−08 Методические рекомендации по организации производственного микробиологического^ контроля ' на предприятияхмолочной промышленности (с атласом значимых микроорганизмов), 1Госкомсанэпиднадзор России, Москва, 2008.

20. МУК 4.2.577−96. Методы микробиологического контроля продуктов детского, лечебного питания и их компонентов, Госкомсанэпиднадзор России, Москва, 1996. '.

21. Полянский, К. К. Теплофизические характеристики, водно-лактозных растворов / К. К. Полянский, В. Е. Игнатов, Н. Н. Бунеева // Известия вузов. Пищевая технология, № !¦ 3, 1991. С. 225 — 226.

22. Полянский, К. К. Физико-химия молочного сахара / К. К. Полянский, А. Г. Шестов // Известия вузов. Пищевая технология, 1978. № 2. — С. 58−62.

23. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / Под ред. И. С. Егорова. М.: МГУ, 1995. — 37 с.33'. Рябцева, С. А. Технология лактулозы / С. А. Рябцева. — М.: ДеЛи принт, 2003. 232 с.

24. Сенкевич, Т. Молочная сыворотка: переработка и использование в АПК: Пер. с нем. канд. биолог, наук H.A. Эпштейна / Под. ред. И. Н. Липатова. М.: Агропромиздат, 1989. — 315 с.

25. Серов, А. В. Химия' и физика лактозыи ее производных. Монография. Ставрополь: СевКавГТУ, 2003. — 116 с.

26. Системы" анализа рисков и определение критических контрольных точек НАССР/ХАССП. Государственные стандарты США и России. М.: Феникс, 2003. — 542 с.

27. Смирнов, В. А. Пищевые кислоты (лимоннаямолочная,' винная) / в: А. Смирнов. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. 264 с.

28. Смит, А. Прикладная ИК-спектроскопия (основы, техника, аналитическое применение) / А. Смит. -М.: Мир, 1982. 327 с.

29. Стоянова, Л. Г. Новые бактериоцины лактококков и их практическое использование: дисс.. д-ра биолог, наук: 03.00.07 и 03.00.23 / Стоянова Лидия Григорьевна. М, 2008. — 356 с.

30. Теория мягких косметологических воздействий. Современная косметология. Децина А. Н. Электронный ресурс. URL: http://www.golkom.ru/book/4812.htmr.

31. Технологии ООО «МЕРА ПрофиЛайн». Молоко и молочная сыворотка. Электронный. ресурс. — 1Л1Ь: http://www.mplinc.ru/index.php7sid-14. .

32. Фетисов, Е. А. Ускоренный, метод определения массовой доли белка в сыворотке / Е. А. Фетисов, Л. С. 'Голстухина // Молочная промышленность.— 1982.-№ 7.-с.1'4... '.

33. Храмцов, А. Г. Молочный сахар / А. Г. Храмцов. М.: Агропромиздат, 1987. — 224 с.

34. Храмцов, А. Г. Рациональная переработка молочной сыворотки / А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов, В. В. Костина, С. АРябцева, .В. Г. Папин // Молочная промышленность. —1996.-№ 4.'—с. 10:

35. Храмцов, А. Г. Справочник технолога' молочного производства. Т. 5. Продукты изобезжиренного молока-, пахты имолочной сыворотки / АЕ. Храмцов^ С. В. Василисин. СПб.: ШОРД 2004; - 567 с.. '.

36. ХрамцовА. Г. Технология продуктов из молочной. сыворотки:/ А. Г. Храмцов, I I. Г. Нестеренко. М.: ДеЛи принт, 2004: — 587 с.

37. Шаркинас, А. М. Основные направления исследований пищевого института в области молочной промышленности // Материалы семинара БелНИКТИММП. Минск, 2005. — С. 16 — 17.

38. Шувалова, Е. П. Острые кишечные инфекции / Е. Г1. Шувалова, МЕ. Ломанков и др. // Здоровье. 2008. — № 2. — - с. 45 -47.

39. Экономика'/Шод ред. проф. Волкова Н. А. М-: Экономика, 2003; -325с.. ;

40. Эрнандес, Е. Липидный барьер кожи и косметические средства / Е. Эрнандес, А. Марголина. М.: Косметика и медицина, 1998: — 135 с. 142.

41. Эрнандес, Е. Полигидроксикислоты. против ихтиоза / Е. Эрнандес // Пилинги. 2010. — № 1. — стр. 18−22.

42. Abbadi, A. Effect of рН in the Pt-Gatalyzed Oxidation: of D-Glucose to D-Gluconic Acid / A. Abbadi, H. van Bekkum.// J. Molec. Catal: A Chemical. 1995. Vol 97: P: 111U118i .

43. Abbadi, A. Selective Chemo-Catalytic Oxidation of Lactose1 and/of Lactobionic Acid towards 1 -Carboxylactulose (2-keto-Lactobionic Acid) / A. Abbadi et. al. //Appl. Catal. A: General. 1997. Vol. 156. P. 105−115.

44. Alpha-hydroxy acids: modulate stratum corneum barrier function / E. Berardesca et al. //J. Dermatol. 1997. Vol. 137:934−8;

45. Besson, M: Catalytic Oxidation of Glucose on Bismuth-Promoted Palladium Catalysts / M. Besson et. al. //.J. Catal. 1995. Vol. 152, P: 116−121.

46. Charloux, C: Inhibition of hydroxy! radical production by lactobionate, adenine, and tempol / G. Charloux et. al. II Free Radical Bio & Med 1995. Vol. 19(5). P. 699 704.

47. Ditre, С. M. Effects of a-hydroxy acids om photoaged skin: A pilot clinical, histologic, and ultrastructural study / С. M. Ditre et. al. // J. Am. Acad. Dermatol- 1996. Voh.34:187−95.

48. Domovs, K. B. Methanol-soluble complexes of lactose and of other carbohydrates / K. B: Domovs, E. H. Freund // Journal of Dairy Science. 1960. Vol. 43. P. 1216−1223.

49. Druliolle, H. On some mechanistic aspects of the electrochemical oxidation of lactose at platinum and gold, electrodes in alkaline medium / H. Druliolle et al. // J: Electroanal. Chem. 1997. Vol. 426. P. 103−115.

50. Effects of hexose sugars: glucose, fructose, galactose and mannose on wound’healing in the rat / J. Kossi et al. // Eur. Surg. Res. 1999. Vol. 31(1). P. 74 82.

51. Effects of a-hydroxy acids on' photoaged skin: A pilot clinical, histologic, and ultrastructural study / C. M. Ditre et al. // J. Am. Acad. Dermatol. 1996. Vol. 34:187−95.

52. European* pharmacopoeia fifth edition Vol.2. Council of Europe, 67 075 Strasbourg Cedex,'France 2004. P. 1885. ISBN: 92−871−5281−0!

53. Fundamentals of Dairy Chemistry. Ed. by B. H. Webb. Westport, Connecticut, AVI Publ., Inc., 1965. 827 p.

54. Gerling, K.-G. Large-scale production of lactobionic acid use and new applications / K.-G. Gerling // International Dairy Federation. Whey Proceedings of the second International Whey Conference, held in Chicago, USA, 27−29 Oct. 1997. P. 251−261.

55. Grimes, P. E. The use of polyhydroxy acids (PHAs) in photoaged skin / P. E. Grimes // Cutis. 2004. Vol. 73(2 Suppl). 3−1 Review.

56. Haasej G. Kinetic Reactions* oi Alpha and Beta Lactose: 1. Mutarotation / G. Haase, T. A. Nickerson // Journal of Dairy Science. 1966. Vol. 49. P. 127−132:,. .

57. Harju, M. Lactose, its derivatives and their, hydrolysis / M. Harju // Finn. J. Dairy Sci. 1991. Vol. 49. P. 1 -47.

58. I Iarju, Ml Production and properties of lactulose, lactitol and lactobionic acid/ Ms. Harju-// Bfulletiniof IDE 289i 1993;i P! 27 30;

59. Herrington, B. L. Some Physico-chemical1 properties of Lactose: VII: The solubilityof lactose1 im salt"^calcium chloride / B: L. Herrington // Journal of Dairy Science. 1934. ¦ VoL 17. P: 805−8141 I «'v'- •.¦/•'i ¦

60. Hossain, M., Brooks J. D., Maddox I. S. /New Zealand J. Dairy Sci. Technol. 1983. Vol. 18—P. 161−168.

61. Hudson, C. S. J. Am. Chem. Soc. 1925. Vol: 47. P. 2052:

62. Meyer, A. Ion-Pair RP-HPLC Determination of SugarsAmino Sugars, and Uronic Acids after Derivatization with p-Aminobenzoic Acid / A. Meyer, C. Raba, and K. Fischer // J. Anal. Chem. 2001. Vol.73. P. 2377 2382.

63. Murzina, E., V. D-Lactose oxidation over, gold catalysts, / E. V. Murzina // Catalysis Today. 2008. Vol. 131. P.* 385 392.

64. NeoStrata Company Электронный ресурс. URL: http://www.neostrata.com.94'. Patent W0/2009/7 398. A21D 2/14. Food Products Containing Aldobionic Acid / Nielsen Per MunkHoeier Erik. Prior. Jul. 09, 2007. Pat. Jan. 15,2009:

65. Pedruzzi-, I. Quantification of lactobionic acid and sorbitol from enzymatic reactions of fructose and lactose by high-performance liquid chromatography / Ii Pedruzzi et. al. // Journal of Chromatography A. 2007. Vol. 1145. P. 128−132.

66. Petratos, M. A. Drug therapies and adjunctive uses of alphahydroxy and polyhydroxy acids / Mi A. Petratos // Cutis. 2000. Vol. 66(2). P. 107−111.

67. Roelfmma, W. A. Chemical reception’s reactions of lactose derivatives / W. A. Roelfmma, B. F. Kuster // Netherlands Milk Dairy J. 1998. № 42. P. 469−483.

68. Roldan, V. Kinetics and mechanism of the reduction of CrVI and Crv by D-lactobionic acid / V. Roldan et. al. // Journal of Inorganic Biochemistry. 2004. Vol. 98. P. 347−357.

69. Separation of lactose, lactobionic acid1 and lactobionolactone by highperformance liquid chromatography / P. J. Simms et. al. // J. Chromatogr. A. 1994. Vol. 667(1−2). P. 67−73.

70. Sexton, D. Determination of Lactose by Reversed phase High Performance Liquids Chromatography / D. Sexton // Department of Chemistry East Tennessee State University. 2004. — P: 94.

71. Specifications Sheet Of Lactobionic acid. American International Chemical, Inc. Электронный ресурс. — URL: http://www.aicma.com/products/ Lactobionic%20Acid%20LBAGIP.

72. Splechtna, B. Production of a lactose-free galacto-oligosaccharide mixture by using selective enzymatic oxidation of lactose into lactobionic acid / B. Splechtna et. al. // Enzyme and Microbial' Technology. 2001. Vol. 29. P. 434−440.

73. Thelwall, L. A. Developments in the chemistry and chemical modification of lactose / L. A. Thelwall // Developments in Dairy Chemistry. Lactose and minor-constituents. Ed. by Fox P.F. 1985: .Voli 3. Pi 35 — 66.

74. US 2 746 916 Production of lactobionic acid and its. S-lactone / Edward K. Magariello, Islip, N. Y. Pat. May, 22 1956.11 1. US 7 371 362: B2- C01Bv31/20! Catalytic: Wet OxidatiomOfiEactose / J. Holies. Prior Aug: 23, 2007. Pat. May 13, 2008.

75. US Patent 5 977 350, Bergfeld^ etealt Oxidation-of di-j"tri-, loligoand^ polysaccharides ihtospolyhydroxycarboxylic acids. Nov. 2j 1999:'.

76. US Patent N 10 585 524, A23L 1/325. Meat based food product comprising. lactobionic acid / Novozymes North America, Inc. Prior 07.07.2006. Publication 27.08.2009: ,.

77. US Patent:№ 20 040 151 802, A23C 009/12. Process for manufacturing cheeses and other dairy products^ andiproducts thereof / Kraft Foods R & D, Inc. Prior November 6, 2003. Pat, August 5, 2004.

78. US Patent N 5 779 939, C23 °F 11/00. Corrosion preventing composition comprising lactobionic acid amides / Solvay Deutschland GmbH- (Hanover, DE). Prior Feb. 13, 1995. Pat. Jul. 14, 1998. .

79. Wit, G. Catalytic dexydrogenation of reducing sugars in alkaline solution / Gert de Wit, Jan de Vlieger // J. Carbohydrate Research. 1981. Vol. 91. P.125 — 138.

80. Yang, B. Y. Oxidation of lactose with bromine / B. Y. Yang, R. Montgomery // Carbohydrate Research. 2005. Vol. 340. P. 2698 2705.

81. Yu, R. J. Alpha-hydroxy acids, polyhydroxy acids, aldobionic acids and their topical actions / R. J. Yu, E. J. Van Scott // In: Textbook of Cosmetic Dermatology.