ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРОЦЕСА НА ВЪЗСТАНОВЯВАНЕ НА СУХА МЛЕЧНА СУРОВАТКА ПО МЕТОДА НА УЛТРАЗВУКОВА КАВИТАЦИЯ И
При производството на някои видове млечни продукти, като сирене, извара, казеин, остава голямо количество вторичен продукт - суроватка.
Към днешна дата производството на този страничен продукт е достигнало наистина колосални обеми. Повече от 170 милиона тона суроватка остават годишно в света след производството на сирене, извара и казеин, като през годините обемите растат само пропорционално на растежа на млекопреработката. Доскоро тези колосални количества от доста ценен продукт често не се използват, по-голямата част от суроватката просто се източва в канализацията или се дава на добитък. Преработката на суроватка за човешка консумация не е рентабилна и самото естество на естествената суроватка не позволява широкото й използване в хранителни продукти.
Заслужава да се отбележи, че един от основните проблеми при използването на суроватка в производството на продукти е нейният кратък срок на годност. Суроватката се препоръчва да се преработва в рамките на 1-3 часа след получаването й, като основният метод на преработка е сушенето на различни видове, последвано от производството на суха суроватка. При промишлената преработка на суроватка, производството на суха суроватка представлява 60% от всички видове преработка. Този вид обработка ви позволява да увеличите срока на годност на суроватката до шест месеца, което е достатъчно за прилагането на целия обем суха суроватка (SMC).
В това отношение съществува обратен проблем за възстановяване на SMS за по-нататъшна употреба след консервация. В същото време индустрията формира следните изисквания за показателите за качество на възстановената суроватка:
- получаване на стабилни разтвори на базата на суха суроватка;
- близостсвойства на получените разтвори, показатели, присъщи на естествената суроватка, която е била преди получаването на сух концентрат;
- липсата на химически стабилизатори, консерванти във формулировката;
- получаване на разтвори на СМС с необходимите физични и химични свойства, съответстващи на конкретни видове готови продукти, включително показател за активна киселинност.
За да се изпълнят тези изисквания, е възможно да се приложи методът на ултразвукова кавитация (CD лечение) и електрохимично третиране на вода за получаване на възстановена суроватка и получаване на възстановен продукт с необходимите физични и химични свойства и висока стабилност.
Материали и методи на изследване
За възстановяване се използва деминерализирана млечна суроватка с ниво на деминерализация 50% GOST R 53492-2009 „Сурова млечна суроватка“. Тази суроватка най-често се среща в състави на напитки с висока биологична стойност, бебешка храна и млечни десерти.
В изследванията са използвани няколко вида оборудване: ултразвуков процесор Hielscher UP400S с мощност 400 W (Германия, фирма Hielscher) и воден електроактиватор Melesta (България, Melesta LLC). Католитът на електроактивираната вода се получава чрез обработката й за 15 минути в електроактиватор Melesta. За измерване на нивото на активна киселинност е използван лабораторен pH метър Expert-001-1.0.1, оборудван с комбиниран pH измервателен сензор ESK-10601. Измерванията са извършени в съответствие с методиката, разработена във ВНИИМ им. Д. И. Менделеева: „Методика за измерване на рН на мляко и млечни продукти” № VNIMI -03/98 [5]. Нивото на концентрация на SMS разтворите беше променено, като се започне от 1% до стойност, при която концентрацията се повишава допълнителноSMS не доведе до регистрирана промяна в стойността на pH.
Резултати от изследването и дискусия
Основното технологично оборудване за обработка на CD (кавитационна дезинтеграция) беше ултразвуков процесор Hielscher UP 400S (Фигура 1) с мощност 400 W и честота на трептене 24 kHz. Това устройство се състои от генератор (източник на енергия) и преобразувател (сонотрод). Сонотродите от своя страна са устройството, което предава ултразвукови вибрации към обработваната среда.
Методиката на работа на ултразвуковия апарат HielscherUP400S може да бъде разделена на два етапа, подготвителен и работен.
1. Инсталиране на избрания сонотрод в ултразвуковия процесор.
2. Свържете към интерфейса на температурната сонда PC Box UPCT-L.
3. Свързване към компютърна работна станция чрез интерфейс PC Box UPCT-L
1. Задаване на режимите на обработка в управляващата програма UPCT-L (време за обработка, s; амплитуда на механичните вибрации, %; цикъл на работа на дробна единица от 0 до 1.)
2. Поставяне на пробата върху обектната маса в звукоизолиращата кутия на инсталацията. (обем, дълбочина на потапяне, тип контейнер)
3. Екстракция на обработената проба.
4. Почистване на работните повърхности на сонотрода и повърхностите на звукоизолиращата кутия.
Резултатите от обработката пряко зависят от избора на сонотроди и режимите на работа на оборудването. В тази връзка имаше задача да се избере най-оптималната конфигурация на оборудването и режима му на работа.
След анализ на използването на ултразвуково оборудване в хранително-вкусовата промишленост и въз основа на физикохимичните свойства на изследваната среда бяха установени следните критерии за избор на рационални режими и завършване на ултразвуковия процесор [1, 2, 3, 4, 6, 7]:
- внасянето на голямо количество енергия за по-кратък период от време;
- минималната разлика в температурата от началото на обработката до нейното завършване;
- приложимост на сонотрода за обеми до 500 мл.
Съгласно тези критерии беше извършено хардуерно изследване на ултразвуков процесор с четири различни сонотрода, които отговарят на горните критерии.
Проведеното хардуерно изследване беше при следните условия и ред:
- за хардуерни изследвания са използвани сонотроди H3, H7, H14, H22
- Измерванията са направени при стойности на амплитуда от 20% и 100% за всеки тип сонотрод;
- време за обработка 10 и 120 секунди.
- третираната среда е питейна вода;
- параметърът “Цикъл” (контролни граници на параметъра от 0 до 1) при всички измервания беше зададен на максималната стойност - 1, което съответства на непрекъсната работа на инсталацията за определено време.
Ориз. 1. Ултразвуков процесор HielscherUP400S: 1 – ултразвуков процесор; 2 - звукоизолираща кутия; 3 - сонотрод
Анализът на получените зависимости дава възможност да се установи, че енергията, освободена по време на ултразвук, не винаги зависи от размера и диаметъра на сонотрода. Това също се посочва от факта, че за същото време на лечение, което в този случай е равно на 120 секунди, сонотрода H14 освобождава 3973.36 W s повече в системата от сонотрода H22, въпреки че сонотрода H22 има по-голям диаметър от H14.
Резултатите от това инструментално изследване са представени в таблица Таблица 1. Името на сонотродите в таблицата съответства на основния им геометричен параметър - диаметър. Например, сонотродът H22 има напречно сечение с диаметър 22 mm. Това правило важи и за останалите сонотроди в таблица 1.
Резултати от хардуерно изследване на ултразвуковия процесор HielscherUP400S
Начална температура, tn, °С
Крайна температура, tk, °С
Проведените хардуерни изследвания позволиха да се определи необходимата конфигурация на това устройство, като се вземат предвид посочените критерии. Sonotrode H22 беше приет като основен sonotrode, тъй като има максималните характеристики на енергията, въведена в третираната среда по време на краткосрочно третиране, а също и когато се използва, няма значително повишаване на температурата.
Резултатите от инструменталното изследване бяха използвани за изследване на ефекта на ултразвукова кавитация върху буферния капацитет на активния индекс на киселинност на сухи разтвори на суроватка.
В това изследване е използвана вода, активирана по различни начини: католит на електроактивирана вода (рН=10,5-11,0 единици), кавитационно дезинтегрирана вода (рН=8,00-8,15 единици) и католит на вода, подложена на кавитационна дезинтеграция (рН=10,5-11,5 единици). Като контрола се използва питейна вода (pH=7,85-8,15 единици).
Основният контролиран параметър беше нивото на активна киселинност (pH, единици). Според получените стойности на pH се построяват графики на зависимостта на нивото на активна киселинност на разтвора от процента на суха суроватка в него, показани на фиг. 2 и фиг. 3.
В чертежите на фиг. 2 и фиг. Фигура 3 показва графични зависимости и уравнения, които адекватно описват експерименталните данни. Тези зависимости се описват най-точно от степенна функция с отрицателна степенна стойност.
Ориз. 2. Зависимост на нивото на pH от процента на суха млечна суроватка: 1) с използване на кавитационно разпадане, с използване на питейна вода2) без използванекавитационно разпадане, при използване на питейна вода
Анализът на получените зависимости позволи да се установи общ модел за всички видове разтвори: с увеличаване на процента на CMC в анализираните разтвори нивото на активна киселинност намалява и разликата в нивото на рН между близки стойности на процента на CMC намалява, което вероятно се дължи на буферния капацитет на получената колоидна система.
В допълнение към общата закономерност на намаляването на активната киселинност от процента CMC, беше установено също, че допълнителното активиране на католита чрез кавитационно разпадане води до намаляване на рН на разтвора средно с 0,12 единици. При подобно третиране на питейната вода стойността на pH на разтвора намалява по-интензивно и е средно 0,5 единици.
Проведените изследвания показват, че използването на католит и кавитационно дезинтегриран католит вместо питейна вода за приготвяне на CMS разтвори е целесъобразно при концентрации на CMC до 8%. По-нататъшното увеличаване на съдържанието на CMC в разтвора води до образуването на система с активни стойности на киселинност, близки до pH = 6,5.
В това отношение от особен научен интерес е възможността за изследване на производството на разтвори на суроватка чрез предварително смесване на CMC и активирана вода, последвано от кативационно разпадане с цел ефективното им смесване.
Ориз. 3. Зависимост на нивото на pH от процента на суха млечна суроватка: 1) с използване на католитна кавитационна дезинтеграция 2) без използване на католитна кавитационна дезинтеграция
Следващото експериментално изследване беше: изследване за установяване на ефекта на активирана среда върху основните параметри на възстановената суроватка, чрезпредварително смесване на SMS и активирана вода с последващо катионно разпадане с цел ефективното им смесване.
Основните контролирани физични и химични свойства на редуцираните разтвори на суроватка са: активна киселинност (pH, единици), редокс потенциал (ORP, mV), вискозитет (η, mPa), плътност (ρ, kg/m3) и водна активност (aw, единици)
Използвахме следната процедура за получаване на възстановен серум. Сухата млечна суроватка предварително се разтваря във вода в съотношение, определено от необходимата концентрация на разтвора - от 5 до 20% суха суроватка от обема на разтвора. Стойностите на концентрацията на разтворите се определят от резултатите от анализа на съставите на млечни продукти, произведени с помощта на суха суроватка.
Получените разтвори се обработват чрез кавитационна дезинтеграция на ултразвуков процесор "Hielscher Ultrasound UP-400S" с различна интензивност и времетраене. Интензитетът се регулира чрез промяна на амплитудата, която се задава апаратно от 20 до 100%, като се вземат предвид техническите характеристики на устройството.
Продължителността на лечението е определена в диапазона от 10 до 90 секунди. Максималното време за обработка от 90 s се дължи на значително повишаване на температурата на третираната среда с 25-30 ° C при максимална интензивност на обработка, което е нежелателно за осигуряване на високи качествени показатели на възстановената суроватка. Освен това е известно, че когато суроватката се загрее до 50 °C, започва процесът на агломерация на протеинови глобули, поради тяхната денатурация. Денатурираните протеини, загубили стабилност, образуват люспи при 75-80 ° C, които бавно се утаяват. Прагът за денатурация на суроватъчните протеини ениво 50-65 °C, а видимата им коагулация се наблюдава при 75-80 °C.
При планирането и организирането на изследването е приложена методологията на трифакторен експеримент, базиран на гръцко-латински квадрати с допълнителна обработка в софтуерния пакет Statistica 8.0. За използване на метода се определят неповтарящи се комбинации от фактори, от които се съставя матрицата на експеримента.
За използване на метода са определени неповтарящи се комбинации от фактори, от които е съставена матрицата на експеримента, представена в таблица 2.
Основните контролирани физични и химични свойства на разтворените разтвори на суроватка бяха предварително определени параметри: активна киселинност (pH, единици), редокс потенциал (ORP, mV), вискозитет ((η, mPa), плътност (ρ, kg/m3) и водна активност (aw, единици)
Математическо планиране на експеримента