Биотехнологические принципы производства функциональных молочных продуктов с применением полисахаридов (19.10.2009)

Автор: Орлова Татьяна Александровна

Схема проведения исследований приведена на рисунке 1.

Объектами исследований служили: цельное и обезжиренное коровье молоко, полученные из них нормализованные смеси, полисахариды различных видов: пектин (яблочный, цитрусовый), Na-карбоксиметилцеллюлоза (Nа-КМЦ), микробные полисахариды; продукты фракционирования молочного сырья полисахаридами ? концентрат натурального казеина (КНК) в натуральном и сухом виде, сывороточно-полисахаридная фаза (СПФ) в натуральном и сгущенном виде. Молочное сырье было получено в производственных условиях Ставропольского молочного комбината или фермерских хозяйств. Фракционирование молочного сырья полисахаридами проводили в поле гравитационных и центробежных сил. В качестве контрольных образцов были взяты казеин по Гаммерстену, ККФК, полученный ультрацентрифугированием, казеинат натрия и молочная сыворотка.

В работе использовали стандартные, опубликованные в специальной литературе методы. Для получения экспериментальных данных в процессе исследований проводили комплекс физико-химических, биохимических, функциональных и микробиологических исследований. Медико-биологические и микробиологические исследования изучаемых фракций (СПФ и КНК), продуктов с их использованием проводили параллельно с отработкой технологии их получения в соответствии с методиками, используемыми в медицинских центрах и клиниках: в.ч 64668 (Институт военной медицины), Институт питания АМН, Всесоюзный онкологический центр, Московская медицинская академия имени Сеченова, Ростовский медицинский институт, Ставропольский медицинский институт, Тюменский филиал института питания АМН.

Рисунок 1 ? Схема проведения исследований

При выполнении исследований широко использовали современные методы математического планирования. Обработку результатов исследований проводили с использованием пакетов прикладных программ: Fisher, MathCaD 12, MS Excel 2007, Statistica 6,0.

Глава 3. Изучение закономерностей фракционирования молочного сырья полисахаридами

Согласно современным представлениям устойчивость дисперсных систем определяется балансом сил притяжения и отталкивания, действующих между коллоидными частицами.

Один и тот же полимер, вводимый в биосистему может быть стабилизатором в зависимости от концентрации и условий введения и флокулянтом. Как правило, малые добавки ВМС приводят к дестабилизации агрегативной и седиметационной устойчивости дисперсных систем. Биологические объекты представляют собой лиофильные системы. Для них характерно сильное взаимодействие вещества дисперсной фазы с дисперсной средой. Адсорбционные слои гидрофильных молекул обуславливают высокую агрегативную устойчивости биоколлоидов.

В последнее время обнаружена флокуляция, протекающая в условиях вытеснения макромолекул из пространства между сближающимися частицами (вытеснительная флокуляция). Такая флокуляция возникает, когда полимер не адсорбируется на поверхности частиц или на ней все адсорбционные центры уже заняты, когда взаимодействие макромолекул с растворителем предпочтительнее их взаимодействия с поверхностью. Эффективность флокуляции характеризуется по меньшей мере тремя параметрами - глубиной минимума на кривых выход _ концентрация полимера, минимальной концентрацией ВМС, вызывающей максимальную флокуляцию, протяженностью области дестабилизации. Хорошие флокулянты ? полисахариды должны обеспечивать максимальную степень выделения дисперсных частиц, минимальный расход полимера и достаточно большую протяженность области дестабилизации. Флокулирующее действие (ВМС) зависит от природы и количества добавленного полимера, его молекулярной массы и заряда, условий введения полимера в систему, содержания дисперсной фазы и электролитов.

Явление несовместимости белков и полисахаридов в водных средах положенное в основу фракционирования молочного сырья полисахаридами изложено в работах, проведенных в ИНЭОС АН СССР, отечественной и зарубежной литературе. Результаты исследований совместимости белков и полисахаридов различными авторами рассматриваются по-разному. Так, В. Б. Толстогузовым, Ю. А. Антоновым условия несовместимости были сформулированы как исключение возможности комплексообразования между белком и полисахаридом и усиление самоассоциации макромолекулярных компонентов системы. Однако до сих пор недостаточно освещён вопрос природы этого явления. В. Б. Толстогузов, пионер исследований в России, называл происходящий процесс безмембранным обратным осмосом. В наших исследованиях мы больше склоняемся охарактеризовать его как фракционирование высокомолекулярных компонентов в результате вытеснительной флокуляции. Для описания данного явления также может быть использован термин биомембранное разделение, примененный А. А. Храмцовым. При этом раствор полисахарида рассматривается в качестве жидкой биомембраны, через которую происходит отделение казеин-кальций-фосфатного комплекса (ККФК), содержащегося в молоке, от сывороточной фракции, которая становится при этом сывороточно-полисахаридной.

Основные исследования были посвящены изучению взаимодействия молочного сырья с пектинами. Кроме того, были испытаны Na-КМЦ, альгинаты и микробные полисахариды. Схема фракционирования молочного сырья полисахаридами представлена на рисунке 2.

Рассмотренные пектины представляют собой полидисперсную систему частиц, которую можно характеризовать в общем случае влажностью, физико-химическими показателями, плотностью, углом естественного откоса, а также рядом других показателей. Основные характеристики пектинов отечественного и зарубежного производства даны в таблице 1.

Таблица 1 _ Основные характеристики пектинов

Показатели Пектин

ГОСТ 29186-91 Пектин

Classic AM 201

Массовая доля влаги, % 10 6

Молекулярная масса 28000 30000

Степень этерификации, % 72 75

Насыпная плотность, кг/м3 320 510

Угол естественного откоса, град. 51 38

Растворимость, % 97,5 99,8

Активная кислотность,. рН 2,85±0,15 2,9±0,1

Средний размер частиц, мм 0,6 0,4

Массовая доля сухих веществ в водном растворе, % 6,5±0,3 6,5±0,2

Как видно из таблицы 1, по основным характеристикам выбранные отечественный и зарубежный пектины отличаются незначительно.

Важной характеристикой полисахаридов как флокулянтов молочного сырья является их взаимодействие с растворителем и ионными компонентами раствора.

Интенсивность процесса растворения и качество водного раствора пектина определяет комплекс гидродинамических, физико-химических и технологических показателей, на которые накладываются определённые ограничения. Наилучшим растворителем для пектина, как показали проведённые исследования, и технологические разработки является вода.

Изучено влияние температуры на физико-химическую и функциональную стабильность полисахарида и его раствора. Термическая стабильность полисахаридов зависит от температуры. Исследования показали, что при необходимости длительного (например, в течение часа) прогрева растворов это следует проводить при температурах не выше 60–70 ?С.

В большей степени на процесс фракционирования влияют молекулярная масса и содержание полиуронидов в пектине при одинаковой степени этерификации (рис. 3, 4).

Рисунок 2 ? Схема фракционирования молочного сырья полисахаридами

Рисунок 3 _ Влияние концентрации пектина в смеси и его молекулярной массы на массовую долю белка в КНК

Изменение молекулярной массы пектина в пределах 25,7–44,8 кД ведёт к смещению оптимальных концентраций пектина в смеси с 0,6 до 0,3 %. При разделении в поле центробежных сил массовая доля белка в КНК увеличивается на 3 %.

Рисунок 4 _ Влияние концентрации пектина в смеси и содержания в нем полиуронидов на массовую долю белка в КНК

Увеличение содержания полиуронидов в пектине с 50 до 80 % приводит к снижению его оптимальной концентраци в смеси до 0,45 %.

Было изучено влияние массовой доли сухих веществ в растворе пектина на эффективность фракционирования смеси обезжиренное молоко ? раствор пектина. Изменение массовой доли сухих веществ в растворе от 5 до 6,5 % при изменении его молекулярной массы от 25,7 до 33,9 кД практически не оказывает влияния на массовую долю белка, как в СПФ (от 0.95 до 1 %), так и в концентрате натурального казеина (14,1 % и 14,3 %).

При использовании пектина со степенью этерификации 69–70%, содержанием полиуронидов 79–80% и молекулярной массой 25,7–33,9 кД, колебания массовой доли белка в КНК и СПФ незначительны (13,0–13,5 % для КНК и 0,87–0,92 % для СПФ).

Была установлена зависимость между степенью этерификации и разделяющей способностью пектинов. При степени этерификации 70–75% наблюдалась хорошая разделяемость, а на уровне 30–35% фракциогнирование не происходило. При степени этерификации 55±5 % фракционирование обеспечивалось только в центробежном поле. В результате были сформулированы требования к пектинам для фракционирования молочного сырья:

Степень этерификации 70–75 %

Содержание полиуронидов 60–70 %


загрузка...