Исследование химико-технологических закономерностей процесса окисления лактозы с целью разработки технологии лактобионовой кислоты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат технических наук Грицаева, Марина Витальевна

• Грицаева, Марина Витальевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Грицаева, Марина Витальевна

Введение

Глава 1 Анализ состояния вопроса и задачи исследований

1.1 Лактобионовая кислота, как основной продукт окисления лактозы

1.2 Перспективные направления использования, лактобионовой кислоты *

1.3 Физико-химические свойства лактозы как объекта окисления

1.4 Анализ основных способов окисления лактозы

1.4.1 Ферментативное окисление

1.4.2 Окисление галогенами

1.4.3 Гомогенное окисление кислородом в щелочной среде

1.4.4 Гетерогенное каталитическое окисление

1.4.5 Электрохимическое окисление

1.5 Обоснование выбранного направления и задачи исследований

Глава 2 Организация, объекты и методы проведения* исследований

2.1 Организация работы и объектььисследований 43 <

2.2 Методы физико-химических и микробиологических анализов '

2.3 Математическое планирование и обработка результатов экспериментов

Глава 3 Исследование химико-технологических закономерностей окисления лактозы

3.1 Обоснование выбора сырья для получения лактобионовой кислоты

3.1.1 Анализ альтернативных сырьевых источников лактозы для производства лактобионовой кислоты

3.1.2 Разработка способа подготовки молочной сыворотки для проведения окисления лактозы

3.2 Изучение закономерностей электрохимического окисления лактозы

3.3 Разработка способа идентификации лактобионовой кислоты физико-химическими методами анализа

3.4 Оптимизация процесса электрохимического окисления лактозы в лактозосодержащем сырье глубокой очистки

Глава 4 Изучение функционально-технологических свойств лактобионовой кислоты

4.1 Изучение антибактериальной активности лактобионовой кислоты

4.2 Влияние лактобионовой кислоты на кислотообразующую активность молочнокислых микроорганизмов

4.3 Изучение антагонистической активности заквасок молочнокислых микроорганизмов в присутствии лактобионовой кислоты

Глава 5 Разработка технологии получения лактобионовой кислоты из лактозосодержащего сырья и оценка ее эффективности

5.1 Технологический процесс производства лактобионовой кислоты

5.2 Оценка экономической эффективности производства лактобионовой кислоты из молочной сыворотки

5.2.1 Маркетинговая оценка

5.2.2 Расчет себестоимости лактобионовой кислоты

5.3 Адаптация системы ХАССП для контроля технологического процесса производства лактобионовой кислоты 124 Выводы 135 Список литературы 137 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 века- изучается? проблема производства и использования лакгозьг и ее, производных. Этойшроблеме уделяется постоянное внимание со стороны Международной молочной федерации (ММФ).

Несмотря на то, что на данный; момент 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 как; наука о; молоке; нацелена; главным 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 время; транспортировки. Она представляет собой новый ингредиент в продукции- по 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 кислоты- из лактозы путем; окисления 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« утилизации; отходов- молочной промышленности; Промышленная переработка: молока традиционными способами в различные продукты, питания (сливочное масло, творог, сыр, казеин) связана; с получением вторичного сырья?, в виде: обезжиренного!: молока; пахты* 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, то; ее теряется более; половины; На; современном 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 кислоты; результаты анализа альтернативных сырьевых источников лактозы для производства лактобионовой кислоты; результаты экспериментальных исследований и анализ закономерностей процессов окисления лактозы в истинных растворах; разработка способа идентификации и количественного определения лактобионовой кислоты физико-химическими методами; оптимизированные технологические параметры производства лактобионовой кислоты; результаты экспериментальных исследований с анализом влияния лактобионовой кислоты на свойства микроорганизмов для определения возможных путей использования этой кислоты; разработка технологии и аппаратурного оформления процесса производства лактобионовой кислоты; анализ экономической эффективности и экологической безопасности разработанной технологии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Грицаева, Марина Витальевна, 2011 год

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^ Ахназарова; В: В. Кафаров. М. : Высшая школа, 1978. -319 с.

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

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

6. ГОСТР53438-2009Сывороткамол очная. Технические условия;

7. Грабчак, С. Л: Способ; гидролиза лактозы в; сывороточном-концентрате / С. Л'. Грабчак, Л:. С. Иванова, Г. В. Кричевская // Агропром Украины. 1990. - № 12. - С. 40 - 41.

8. Грачев; Ю. 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 ' гарантированного; качества / С. Н. Карликанова. -М.: Ц11ИИТЭИ мясомолнром, 1983. 325 с.

11. Корнелаева, Р. Г1. Санитарная микробиология сырья ■ и продуктов животного происхождения / Р. П; Корнелаева, П. П. Степаненко; Е. 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. 19901 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. Серов; науч. 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. Миронов; С. 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 лактозы; и 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 (лимонная; молочная,' 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. А; Рябцева, .В. Г. Папин // Молочная промышленность. —1996.-№ 4.'—с. 10:

35. Храмцов, А. Г. Справочник технолога' молочного производства. Т. 5. Продукты из; обезжиренного молока-, пахты и; молочной сыворотки / А; Е.Храмцов^ С. В. Василисин. СПб. : ШОРД 2004; - 567 с. . '

36. Храмцов; А. 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, М; Е. 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 -Càrboxylactulose (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. Chàrloux, C: Inhibition of hydroxy! radical production by lactobionate, adenine, and tempol / G. Chàrloux 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, 67075 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 Sugars; Amino 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 W0/2009/007398. A21D 2/14. Food Products Containing Aldobionic Acid / Nielsen Per Munk; Hoeier 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 7371362:B2; C01Bv31/20! Catalytic:Wet OxidatiomOfiEactose / J. Holies. Prior Aug: 23, 2007. Pat. May 13, 2008.

75. US Patent 5977350, Bergfeld^ etealt Oxidation;of di-j„tri-,loligo- and^ polysaccharides ihtospolyhydroxycarboxylic acids. Nov. 2j 1999:'

76. US Patent N 10585524, 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:№20040151802, 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 5779939, C23F 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.