Применение молочной сыворотки в профилактике и лечении животных » Все о технологии молока и молочных продуктов

Выделение лактозы

Лактоза является основным ингредиентом сыворотки. Существуют два основных метода ее выделения в зависимости от исходного сырья:

  • кристаллизация лактозы в необработанной, но концентрированной сыворотке;
  • кристаллизация лактозы в сыворотке, из которой перед концентрацией был удален белок при помощи ультрафильтрации или другого метода.

При использовании обоих методов получается слой мелассы, который может быть высушен и использован в качестве корма для скота. Пищевая ценность продукта может быть значительно повышена, если из мелассы были удалены соли и добавлены высококачественные белки.

Деминерализация (удаление солей)

Поскольку сыворотка имеет достаточно высокое содержание солей (около 8–12 % в пересчете на сухой остаток), ее пригодность в качестве пищевого продукта ограничена. Но после деминерализации может, однако, открыться широкое поле для применения сыворотки, которая была частично (на 25–30 %) или в значительной степени (на 90–95 %) деминерализована.

Частично деминерализованный концентрат сыворотки может использоваться, например, при производстве мороженого, хлебобулочных изделий и даже кварка, в то время как высокодеминерализованная сухая сыворотка, или концентрат, может быть использована при изготовлении продуктов детского питания, а также очень многих других продуктов.

Извлечение белка

Первоначально для выделения сывороточных белков использовали различные технологии осаждения, но сегодня в дополнение к технологиям осаждения и комплексообразования используется мембранное разделение (фракционирование) и хроматографические процессы. Финк (Fink) и Кесслер (Kessler) (1988 г.) установили, что максимальная степень денатурации сывороточных белков составляет 90 % для всех денатурируемых фракций.

Протеозопептоннаяфракция, составляющая около 10 % сывороточных белков, считается неденатурируемой. Сывороточные белки в качестве составной части сухой сыворотки могут быть легкополучены путем ее тщательной сушки. В результате было разработано выделение сывороточных белков. Сывороточные белки, полученные методом мембранного разделения или с помощью ионообменной технологии, имеют хорошие функциональные показатели, такие как растворимость, пенообразование, эмульгирование и гелеобразование.

Ионообменные процессы при деминерализации

Для обработки воды деминерализация методом ионного обмена применялась давно, но она была адаптирована и для деминерализации сыворотки. По составу сыворотка не является однородным продуктом. Кислая сыворотка, полученная при производстве казеина/творога, имеет рН 4,3–4,6, в то время как рН сладкой сыворотки составляет 6,3–6,6.

Основное различие между этими двумя типами сыворотки, помимо кислотности, это высокое содержание фосфата кальция в кислой сыворотке. Для вычисления степени минерализации сыворотки в качестве основы удобно использовать катионы, поскольку анионы, то есть цитраты и фосфаты, задействуются в протеолитических реакциях.

Это затрудняет вычисление содержания конкретного иона в растворе. Типовое значение содержания катионов в сладкой и кислой сыворотках показано в таблице 15.6.Сыворотку можно охарактеризовать как жидкость с высоким содержанием солей, что, в свою очередь, приводит к снижению продолжительности циклов ионного обмена. Это, в свою очередь, отражается в больших затратах на восстановительные химикаты, если они не регенерируются.

Кислотный гидролиз

Также лактозу можно расщепить при помощи кислот вместе с термической обработкой или при пропускании через катионный обменник в водородной форме при температуре около 100 °С. Требуемая степень гидролиза определяется по уровню рН, температуре и времени выдержки. Поскольку продукт в ходе гидролиза приобретает коричневый оттенок, рекомендуется обработка активированным углем.

Концентрация

Первый этап концентрирования сыворотки обычно включает повышение содержания сухого вещества с примерно 6 % до 18–25 % с использованием обратного осмоса или обратного осмоса в сочетании с нанофильтрацией. После этого сыворотку можно или перевезти на другой участок для дальнейшей обработки (например, для выпаривания и высушивания), или высушить непосредственно на месте.

При содержании сухих веществ выше 25–30 % более экономичным является использование выпаривания с помощью механической рекомпрессии пара (МРП) для повышения концентрации сыворотки. Использование МРП на этом втором этапе повышения концентрации сыворотки может повысить содержание сухих веществ с примерно 20 % до 45–65 %.

После выпаривания концентрат быстро охлаждают до 30–40 °C, вызывая тем самым зарождение кристаллов лактозы, после чего продолжают охлаждение и перемешивание в специальных танках для кристаллизации. Продукт выдерживают в кристаллизаторах 4–8 часов для получения однородного распределения мелких кристаллов лактозы, которые при распылительной сушке позволяют получить негигроскопичный продукт.

Предлагаем ознакомиться  Основная информация о почвах и грунтах

Концентрированная сыворотка представляет собой перенасыщенный раствор лактозы, при определенных условиях температуры и концентрации она может начать спонтанно кристаллизоватьсядотого, как покинет выпарной аппарат. При концентрациях сухих веществ свыше 65 % продукт становится настолько вязким, что теряет текучесть. Дополнительная информация по обратному осмосу и выпарным аппаратам приведена в главе 6, в разделах 6.4 и 6.5.

Лактат аммония

Технология процесса включает ферментацию лактозы, содержащейся в сыворотке, в молочную кислоту и поддержание уровня рН с помощью аммиака, что приводит к образованию лактата аммония. После концентрирования до 61,5% по сухим веществам продукт готов к использованию.

Лактозил-мочевина

В общих чертах технология производства выглядит следующим образом: после сепарирования сыворотка концентрируется до 75 % сухих веществ, чаще всего в два этапа. После добавления мочевины и пищевой серной кислоты концентрат сыворотки выдерживается при температуре 70 °С в течение 20 часов в изолированном баке, снабженном мешалкой.

Пастеризация и охлаждение

Сыворотка, которую до обработки предполагается хранить, должна быть или охлаждена, или пастеризована и охлаждена сразу после отделения жира и мелких фракций. При кратковременном хранении (< 8 часов) для снижения активности бактерий охлаждения до < 5 °C обычно достаточно. При более продолжительном хранении и использовании сыворотки в высококачественных продуктах для детей и спортивного питания необходимо произвести пастеризацию сыворотки сразу после удаления жира и мелких фракций, обычно такой подход рекомендуется для удовлетворения все более строгих требований к качеству продукции.

Принцип работы

Чередующиеся ячейки в блоке электродиализа работают, соответственно, как ячейки разбавления и концентрирования. Сыворотка проходит через ячейки разбавления, а 5%-й рассол (раствор- носитель) – через ячейки концентрирования.Когда постоянный ток (DC) подается на электроды на концах блока, катионы стараются переместиться к катоду, а анионы – к аноду, как показано на рис. 15.11.

Тем не менее свободное перемещение ионов невозможно, поскольку мембраны действуют как барьеры для ионов одноименного с ними заряда. Анионы могут проходить через анионную мембрану, но останавливаются катионной мембраной.И наоборот, катионы могут проходить через катионную мембрану, но останавливаются анионной мембраной.

В результате происходит снижение концентрации ионов в ячейках разбавления (в сыворотке). Сыворотка, таким образом, деминерализуется до уровня, который зависит от содержания золы в сыворотке, времени ее нахождения в установке, плотности тока и вязкости жидкости.Установка для электродиализа может работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом.

Периодическая система, которая часто используется для деминерализации свыше 70 %, может состоять из одного набора мембран, в котором обрабатываемая жидкость, то есть сыворотка, циркулирует до достижения требуемого уровня содержания солей. Этот уровень определяется по электропроводности обрабатываемой жидкости.

Время нахождения жидкости втакой системе может составлять 2–3 часа для 90 % деминерализации при 10–15 °С. При этом желательна предварительная концентрация сыворотки до 20–30 % сухих веществ с целью снижения расхода электроэнергии и увеличения производительности. Перед загрузкой в установку для электродиализа концентрированную сыворотку следует очищать.

Обрабатываемая жидкость в ходе процесса нагревается, поэтому необходим этап охлаждениядляподдержаниятребуемойрабочейтемпературы. При непрерывном производстве, использующем батареи мембран, соединенных последовательно, время выдерживания может быть сокращено до 10–40 минут. Максимальный уровень деминерализации на подобной установке обычно не превышает 60–70 %.

Что касается производительности, то площадь установленных мембран в установке непрерывного действия значительно больше, чем в установке периодического действия.Установка для электродиализа может быть легко автоматизирована и снабжена системой программируемой безразборной мойки. Процедура мойки обычно включает в себя промывку водой, промывку щелочным раствором (до рН 9), промывку водой, промывку соляной кислотой (рН 1) и заключительную промывку водой. Обычно программа мойки занимает 100 мин.

Принципы деминерализации

Деминерализация включает в себя удаление неорганических солей и небольшое снижение содержания органических ионов, таких как лактаты и цитраты.Частичная деминерализация основана наиспользованиипоперечных фильтрующихмембран, предназначенных пропускать частицы размером в пределах нанометра (10-9 м). Такой тип фильтрации называется нанофильтрацией (НФ).

Предлагаем ознакомиться  Как вылечить лишай у кота народными средствами

Деминерализация высокой степени основана на применении одного из двух методов:

  • электродиализа;
  • ионного обмена.

Сушка

Обычно сыворотку сушат так же, как молоко, то есть в барабанных или распылительных сушилках (см. главу 17 «Сухое молоко и сыворотка»).

При использовании барабанных сушилок возникаетпроблема:сложно снятьслой сухой сыворотки с поверхности барабана. Поэтому перед сушкой с сывороткой смешивается наполнитель (например, пшеничные или ржаные отруби), чтобы облегчить процесс удаления сухого продукта.

Распылительная сушка сыворотки является наиболее широко используемым методом. Перед сушкой концентрат сыворотки обрабатывается, как было описано ранее, для того чтобы в нем образовались небольшие кристаллы лактозы, благодаря этому продукт становится негигроскопичным и не образует комков при впитывании влаги.

Кислую сыворотку, которая образовалась при производстве домашнего сыра и казеина, сложно высушивать из-за высокого содержания молочной кислоты. Она слипается и образует комки в распылительной сушилке. Сушка может быть облегчена путем нейтрализации и введения добавок (например, обезжиренного молока и зерновых продуктов).

Уф-пермеат

УФ-пермеат после получения КСБ и ИСБ может быть высушен распылением или использован для получения лактозы. Данные процессы будут объяснены ниже более подробно.

Факторы, ограничивающие использование электродиализа

Основным ограничивающим фактором для использования электродиализа в молочном производстве является стоимость замены мембран, прокладок и электродов, которые составляют 35–40 % от общих эксплуатационных расходов завода. Замена бывает необходима вследствие засорения мембран, которое, в свою очередь, вызывается:

  • осаждением фосфата кальция на поверхности мембраны катионного обмена;
  • отложением белка на поверхности мембраны анионного обмена.

Первая проблема может быть отчасти устранена при правильном подборе профиля потока на поверхности мембраны и регулярной мойкой кислотой. Осаждение белков является основным фактором, снижающим срок службы анионных мембран. В основе этой проблемы лежит следующее: в сыворотке с нормальным значением рН сывороточные белки можно рассматривать как большие отрицательно заряженные ионы (анионы), которые перемещаются в растворе под действием электрического поля.

Эти молекулы слишком крупные, чтобы пройти через мембраны анионного обмена, поэтому они образуюттонкий белковый слой на поверхности мембраны со стороны секции, по которой проходит сыворотка. Для удаления этих отложений с мембраны можно использовать, например, технологии изменения полярности.Хотя при частой мойке растворами с высоким значением рН удаляется большая часть отложений, через каждые 2–4 недели рекомендуется проводить разборку установки для ручной мойки.

Стоимость обработки электродиализом в большой мере зависит от степени деминерализации.Увеличение этой степени последовательно с 50 до 75 % и до 90 % каждый раз поднимает стоимость обработки вдвое. Это означает, что производственные расходы для продукта, деминерализованного на 90 %, в 4 раза больше, чем для продукта, деминерализованного на 50 %; причиной этого является снижение производительности установки при 90 % деминерализации.

В стоимость работы установки также входят обработка водой, химическими соединениями, потребляемая электроэнергия и пар. Обработка отработанной воды является особо сложной задачей. В процессе обработки до 90 % деминерализации лактоза «вытекает» сквозь мембраны в количестве 7–10 %. Фосфаты, удаленные из сыворотки, также накапливаются в отработанной воде.

Стоимость электроэнергии составляет 10–15 % от производственных затрат, в то время как химикаты, используемые в производстве, в основном соляная кислота, составляют менее 5 %. Стоимость пара, используемого для предварительного нагрева продукта, и стоимость охлаждения для поддержания температуры обработки составляет 10–15 % в зависимости от уровня деминерализации.Электродиализ является наилучшим методом для деминерализации до уровня 70 %, где он успешно конкурирует с методом ионного обмена.

Химические реакции

Было установлено, что небелковые азотистые соединения могут использоваться как частичная замена натуральных белков в питании жвачных животных, поскольку определенные микроорганизмы в рубце (первый отдел желудка жвачных) крупного рогатого скота могут синтезировать белок из мочевины и аммиака. Тем не менее, для того чтобы получить сбалансированное питание по азоту и энергетической ценности, мочевина и аммиак должны бытьтрансформированы в более подходящие формы, которые медленно выделяют азот в рубце, улучшая синтез протеинов.Лактозил-мочевина и лактат аммония являются подобными продуктами, получаемыми из сыворотки.

Хроматографическое удаление лактопероксидазы и лактоферрина

В целом использование натуральных биологически активных веществ представляет особый интерес для продуктов детского питания, оздоровительных продуктов питания, косметических кремов и зубных паст. Примерамитаких компонентов являются биологически активные протеины лактопероксидаза (ЛП) и лактоферрин (ЛФ), которые присутствуют в сыворотке в небольших концентрациях, обычно 20 мг/л ЛП и 35 мл/л ЛФ.

Предлагаем ознакомиться  Герань конфетти

Для выделения ЛП и ЛФ из подсырной сыворотки обычно используют хроматографию.Основополагающий принцип, используемый в процессе, заключается в том, что ЛП и ЛФ имеют изоэлектрические точки в щелочной области, то есть эти белки имеют положительный заряд в сладкой сыворотке с нормальным рН 6,2–6,6.

Остальные белки сыворотки, например, b-лактоглобулин, a-лактальбумин и альбумины сыворотки крови, имеют при том же рН отрицательный заряд. Поэтому наиболее подходящий процесс отделения ЛП и ЛФ – это пропускание сыворотки через специальную катионообменную смолу для селективной адсорбции. Молекулы ЛП и ЛФ при взаимодействии зарядов связываются с отрицательно заряженными функциональными группами катионного обменника, что приводит к фиксации этих молекул на ионообменной смоле, в то время как остальные сывороточные белки проходят сквозь ионообменник, поскольку имеют отрицательный заряд. Для использования этого процесса в промышленных масштабах он должен отвечать некоторым основным требованиям.

Одно из них – это необходимость использования сыворотки без нерастворимых включений для поддержания высокой скорости потока во время загрузки, поскольку через ионообменную смолу для достижения насыщения должны пройти очень большие объемы сыворотки. Микрофильтрация (МФ) с порами размером 1,4 мкм при равномерном трансмембранном давлении зарекомендовала себя как хорошая технология получения сыворотки без твердых включений.

Ионообменная смола до насыщения способна поглотить 40–45 г ЛП и ЛФ на литр смолы. При объеме смолы 100 л можно обработать почти 100 000 л сыворотки за один цикл. При правильно подобранных условиях вымывания адсорбированных биологически активных белков из колонны можно получить очень чистые фракции ЛП и ЛФ.

На этом этапе используются растворы солей с различными концентрациями. Эти белки присутствуют в промывном растворе в достаточно высокой концентрации порядка 1 % от веса. При ионном обмене концентрация ЛП и ЛФ повышается почти в 500 раз по сравнению с исходной сывороткой. При дальнейшей обработке промывного раствора на установках ультрафильтрации и диафильтрации получают очень чистый белковый продукт –с чистотой около 95 %.

Частичная деминерализация с помощью нф

При использовании специальной мембраны обратного осмоса небольшие частицы, такие как некоторые моновалентные ионы, например, ионы натрия, калия, хлора, и не большие органические молекулы, такие как мочевина и молочная кислота, могут пройти сквозь мембрану вместе с водным пермеатом. Такой мембранный процесс известен под разными названиями, такими как ультраосмос, «ослабленный» обратный осмос и нанофильтрация (НФ).

В настоящее время чаще всего используются спиральные мембраны, обладающие большей компактностью. Дополнительная информация о таких мембранах приведена в главе 6.4«Мембранная технология».Примеры скоростей фильтрации ингредиентов обычной сладкой сыворотки при нанофильтрации приведены в таблице 15.5.

Важным аспектом нанофильтрации при обработке сыворотки является то, что утечку лактозы необходимо свести к минимуму (менее 0,1 %), чтобы избежать проблем с высокой биологической потребностью в кислороде (БПК) в отработанной воде (пермеате). Установка оборудования НФ на линии обработки сыворотки может потребоваться в следующих ситуациях:

  • в качестве недорогой альтернативы для устранения соленого привкуса обычной сладкой сухой сыворотки;
  • в качестве предварительного этапа обработки перед окончательной деминерализацией сыворотки путем электродиализа и ионного обмена;
  • для удаления кислоты из сыворотки, при производстве казеина с применением соляной или молочной кислоты; следует учесть, что скорость фильтрации ионов лактатов низкая, а у свободных молекул молочной кислоты – высокая;
  • для снижения содержания соли в соленой сыворотке (например, при производстве сыра Чеддер).

Электропитание и автоматизация

В установке для электродиализа используется постоянный ток, поэтому требуется наличие силового оборудования для регулировки тока в диапазоне от 0 до 185 А и напряжения в диапазоне от 0 до 400 В. Расход, температура, электропроводность и рН обрабатываемого продукта и технической воды, давление подачи продукта, разница давления между текущей жидкостьюиячейками установки,атакже напряжение на каждой ячейке установкиотображаются и контролируются в ходе работы.

Оцените статью
Библиотека огородника
Adblock detector