ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВІДНОВЛЕННЯ СУХОЇ МОЛОЧНОЇ СИВОРОТКИ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ КАВІТАЦІЇ І

При виробництві деяких видів молочної продукції, як сири, сир, казеїн, залишається велика кількість побічного продукту - молочної сироватки.

Отримання даного побічного продукту на сьогоднішній день досягло справді колосальних обсягів. Щорічного у світі після виробництва сирів, сиру та казеїну залишається понад 170 млн. т молочної сироватки і з роками обсяги лише зростають пропорційно зростанню переробки молока. Донедавна ці колосальні обсяги досить цінного продукту часто не використовувалися, більшість сироватки просто зливалася в каналізацію або йшла на корм худобі. Переробка сироватки з метою використання людиною, була не рентабельною, і сама природа натуральної сироватки не дозволяла широко використовувати в харчових продуктах.

Варто відзначити однією з основних проблем при використанні молочної сироватки у виробництві продукції її малі терміни зберігання. Молочну сироватку рекомендують переробляти вже через 1 -3 години після її одержання, при цьому основним способом переробки є сушіння різного виду з подальшим одержанням сухої молочної сироватки. При промисловій переробці молочної сироватки виробництва сухої сироватки припадає 60% від усіх видів переробки. Цей вид переробки дозволяє збільшити термін зберігання сироватки до півроку, що є достатнім для реалізації всього отриманого обсягу сухої молочної сироватки (СМС).

У зв'язку з цим виникає зворотне завдання відновлення СМС для подальшого використання після консервації. При цьому промисловість формує такі вимоги до якісних показників відновленої молочної сироватки:

- одержання стабільних розчинів на основі сухої молочної сироватки;

- Наближеністьвластивостей отриманих розчинів показниками, властивими натуральній сироватці, що була до отримання сухого концентрату;

- відсутність у рецептурі хімічних стабілізаторів, консервантів;

- одержання розчинів СМС з необхідними фізико-хімічними властивостями, що відповідають конкретним видам готової продукції, зокрема показником активної кислотності.

Для відповідності цим вимогам для отримання відновленої сироватки можна застосувати метод ультразвукової кавітації (КД-обробки) та електрохімічної обробки води та отримати відновлений продукт з необхідними фізико-хімічними властивостями та високою стабільністю.

Матеріали та методи дослідження

Для відновлення використовували демінералізовану молочну сироватку з рівнем демінералізації 50% ГОСТ Р 53492-2009 «Сироватка молочна суха». Ця сироватка найчастіше зустрічається в рецептурах напоїв підвищеної біологічної цінності, продуктах дитячого харчування та молочних десертів.

У дослідженнях використовувалося кілька типів обладнання: ультразвуковий процесор Hielscher UP400S потужністю 400 Вт (Німеччина, компанія Hielscher) та електроактиватор води "Мелеста" (Україна, ТОВ "Мелеста"). Католіт електроактивованої води отримували шляхом обробки протягом 15 хвилин в електроактиваторі «Мелеста». Для вимірювання рівня активної кислотності використовувався pH-метр Експерт-001-1.0.1 лабораторний укомплектований комбінованим датчиком вимірювання pH - ЕСК-10601. Вимірювання були проведені відповідно до методики, розробленої у ВНДІМ ім. Д. І. Менделєєва: «Методика виконання вимірювань рН молока та молочних продуктів» № УНИМИ -03/98 [5]. Рівень концентрації розчинів СМС змінювали, починаючи з 1% до значення, за якого подальше збільшення концентраціїСМС не призводило до зміни величини рН, що реєструється.

Результати дослідження та їх обговорення

Основним технологічним обладнанням для КД-обробки (кавітаційної дезінтеграції) був ультразвуковий процесор Hielscher UP 400S (Малюнок 1) потужністю 400 Вт і частотою коливань 24 кГц. Даний прилад являє собою генератор (джерело енергії) і перетворювач (сонотрод). Сонотроди у свою чергу є тим пристроєм, який передає ультразвукові коливання в середовище, що обробляється.

Методологію роботи на ультразвуковій установці HielscherUP400S можна розділити на два етапи, підготовчий та робочий.

1. Встановлення обраного сонотроду в ультразвуковий процесор.

2. Підключення до інтерфейсу комп'ютера Box UPCT-L температурного зонда.

3. Підключення до комп'ютерної робочої станції за допомогою інтерфейсу ПК Box UPCT-L

1. Встановлення режимів обробки в програмі UPCT-L (час обробки, с.; амплітуда механічних коливань, %; дробність циклу роботи установки, від 0 до 1.)

2. Встановлення зразка на предметний столик у звукозахисному боксі установки. (обсяг, глибина занурення, тип тари)

3. Вилучення обробленого зразка.

4. Очищення робочих поверхонь сонотроду та поверхонь звукозахисного боксу.

Результати обробки безпосередньо залежать від вибору сонотродів та режимів роботи обладнання. У зв'язку з цим було завдання вибору найоптимальнішої конфігурації обладнання та його режиму роботи.

Провівши аналіз використання ультразвукового обладнання у харчовій промисловості та, виходячи з фізико-хімічних властивостей досліджуваного середовища, були встановлені наступні критерії для підбору раціональних режимів та комплектації ультразвукового процесора [1, 2, 3, 4, 6, 7]:

- Внесення великої кількості енергії за менший проміжок часу;

- Мінімальна відмінність температури від початку обробки до її завершення;

- застосовність сонотрода при об'ємах до 500 мл.

За даними критеріями проведено апаратне дослідження ультразвукового процесора з чотирма різними сонотродами, які відповідають встановленим критеріям.

Проведене апаратне дослідження мало наступні умови та порядок:

- при апаратному дослідженні використовувалися сонотроди H3, H7, H14, H22

- виміри були проведені при значеннях амплітуди 20% та 100% для кожного типу сонотроду;

- Час обробки 10 та 120 секунд.

- оброблюваним середовищем була питна вода;

- параметр "Цикл" (межі регулювання параметра від 0 до 1) у всіх вимірах був встановлений на максимальне значення - 1, що відповідає безперервній роботі установки протягом заданого часу.

Мал. 1. Ультразвуковий процесор HielscherUP400S: 1 – ультразвуковий процесор; 2 – звукозахисний бокс; 3 – сонвідрід

Аналіз отриманих залежностей дозволяє встановити, що енергія, що виділяється при ультразвуку, не завжди залежить від розміру і діаметра сонотрода. На це вказує і той факт, що при однаковому часі обробки, яке в даному випадку дорівнювало 120 секунд, сонотрод Н14 виділив в систему на 3973,36 Вт·с більше сотнотрод Н22, хоча сонотрод Н22 має більший діаметр, ніж Н14.

Результати даного апаратного дослідження представлені у таблиці Таблиця 1. Назва сонотродів у таблиці відповідає їхньому основному геометричному параметру – діаметру. Наприклад, сонотрод Н22 має переріз діаметром 22 мм. Це правило поширюється і інші сонотроды в таблиці Таблиця 1.

Результати апаратного дослідження ультразвукового процесора HielscherUP400S

Початкова температура, tн, °С

Кінцева температура, tк, °С

Проведене апаратне дослідження дозволило визначитися з необхідною комплектацією апарату з урахуванням заданих критеріїв. Основним сонотродом був прийнятий сонотрод Н22, так як він має максимальні характеристики енергії, що вноситься в оброблюване середовище при короткочасній обробці, а також при його застосуванні не відбувається значного підвищення температури.

Отримані результати апаратного дослідження були використані для дослідження впливу ультразвукової кавітації на буферність показника активної кислотності розчинів сухої молочної сироватки.

У цьому дослідженні використовувалася вода, активована різними способами: католіт електроактивованої води (рН=10,5-11,0 од.), кавітаційно-дезінтегрована вода (рН=8,00-8,15 од.) та католіт води, що зазнав кавітаційної дезінтеграції (рН = 10,5-11,5 од.). Як контроль використовували питну воду (рН=7,85-8,15 од.).

Основним контрольованим параметром був рівень активної кислотності (pH, од.). За отриманими значеннями рН побудовано графіки залежності рівня активної кислотності розчину від процентного вмісту в ньому сухої молочної сироватки, наведені на Рис. 2 та Мал. 3.

На рис. 2 та Мал. 3 наведено графічні залежності та рівняння, адекватно описують експериментальні дані. Дані залежності найближче описує статечна функція з негативним статечним значенням.

Мал. 2. Залежність рівня рН від процентного вмісту сухої молочної сироватки: 1) із застосуванням кавітаційної дезінтеграції, при використанні питної води2) без застосуваннякавітаційної дезінтеграції, при використанні питної води

Аналіз отриманих залежностей дозволив встановити загальну закономірність для всіх типів розчинів: при збільшенні процентного вмісту СМС в аналізованих розчинах знижується рівень активної кислотності і зменшується різниця рівня pH між близькими значеннями процентного вмісту СМС, що, ймовірно, пов'язано з буферністю колоїдної системи, що отримується.

Крім загальної закономірності зниження активної кислотності від процентного вмісту СМС також встановлено, що додаткова активація католіту шляхом кавітаційної дезінтеграції призводить до зниження рН розчину в середньому на 0,12 од. При аналогічній обробці питної води величина рН розчину знижується інтенсивніше і становить, у середньому, 0,5 од.

Проведені дослідження показали, що застосування католіту та кавітаційно-дезінтегрованого католіту замість питної води для приготування розчинів СМС є доцільним при концентраціях СМС до 8%. Подальше збільшення вмісту СМС у розчині призводить до формування системи зі значеннями активної кислотності, близькими до рН = 6,5.

У зв'язку з цим певний науковий інтерес представляє можливість вивчення одержання розчинів молочної сироватки шляхом попереднього змішування СМС та активованої води з подальшою кативітаційною дезінтеграцією з метою їх ефективного змішування.

Мал. 3. Залежність рівня рН від процентного вмісту сухої молочної сироватки: 1) із застосуванням кавітаційної дезінтеграції католіту 2) без застосування кавітаційної дезінтеграції католіту

Наступним експериментальним дослідженням було: дослідження щодо встановлення впливу активованих середовищ на основні параметри відновленої молочної сироватки, шляхомпопереднього змішування СМС та активованої води з подальшою кативітаційною дезінтеграцією з метою їх ефективного змішування.

Основними контрольованими фізико-хімічними властивостями відновлених розчинів молочної сироватки були: активна кислотність (рН, од.), окисно-відновний потенціал (ОВП, мВ), в'язкість (η, мПа), щільність (ρ, кг/м3) та активність води ( aw, од.)

У роботі застосовувався такий порядок отримання відновленої сироватки. Суху молочну сироватку попередньо розчиняли у воді у співвідношенні, що визначається необхідною концентрацією розчину - від 5 до 20% сухої молочної сироватки від об'єму розчину. Значення концентрацій розчинів було визначено за результатами аналізу рецептур молочних продуктів, що виробляються із застосуванням сухої молочної сироватки.

Отримані розчини піддавали обробці шляхом кавітаційної дезінтеграції на ультразвуковому процесорі "Hielscher Ultrasound UP-400S" різної інтенсивності та тимчасової тривалості. Інтенсивність регулювалася зміною амплітуди, яка задавалася апаратно від 20 до 100% з урахуванням технічних характеристик апарату.

Тривалість обробки встановлювали в межах від 10 до 90 секунд. Максимальна тривалість обробки 90 с обумовлена ​​значним підвищенням температури оброблюваного середовища на 25-30 З при максимальній інтенсивності обробки, що небажано для забезпечення високих якісних показників відновленої сироватки. Крім того, відомо, що при нагріванні молочної сироватки до 50 С починається процес агломерації глобул білка, обумовлений їх денатурацією. Денатуровані білки, втративши стійкість, при 75-80 ° С утворюють пластівці, які повільно осідають. Поріг денатурації сироваткових білків знаходиться нарівні 50-65 °С, а їхня видима коагуляція спостерігається при 75-80 °С.

При плануванні та організації дослідження застосовано методику трифакторного експерименту на основі греко-латинських квадратів з подальшою обробкою у програмному комплексі Statistica 8.0. Для використання методу визначено неповторні поєднання факторів, з яких складено матрицю експерименту.

Для використання методу визначено неповторні поєднання факторів, з яких складено матрицю експерименту, представлену в таблиці 2.

Основними контрольованими фізико-хімічними властивостями відновлених розчинів молочної сироватки були раніше заставлені параметри: активна кислотність (рН, од.), окисно-відновний потенціал (ОВП, мВ), в'язкість ((η, мПа), щільність (ρ, кг/м3) та активність води (aw, од.)

Матриця математичного планування експерименту

---