Тепловая коагуляция белков творожной сыворотки в проточном пароконтактном аппарате тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат технических наук Смирнов, Владимир Юрьевич

• Смирнов, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Владимир Юрьевич

Введение

1 .Литературный обзор

1.1. Свойства сывороточных белков

1.1.1 Состав сывороточных белков

1.1.2 .Биологическая ценность

1.1.3. Денатурация сывороточных белков

1.1.4. Коагуляция сывороточных белков

1.2. Выделение сывороточных белков 33,

1.2.1. Способы получения сывороточных белковых концентратов

1.2.2. Выделение сывороточных белковых дисперсий

1.3. Оборудование для тепловой обработки молочных продуктов 36 1 ^.Оборудование для выделения белков из молочной сыворотки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловая коагуляция белков творожной сыворотки в проточном пароконтактном аппарате»

Актуальность работы. В настоящее время в мире остро ощущается дефицит животного белка, обладающего высокой биологической и пищевой ценностью. Это связано, прежде всего, с отставанием производства белковой пищевой продукции по сравнению с ростом численности населения во всем мире. В РФ дефицит отечественной белковой пищевой продукции обусловлен в первую очередь недостатком сырьевых ресурсов, что выдвигает актуальную проблему разработки ресурсосбережения. По этому показателю молочная промышленность уступает другим пищевым отраслям.

Однако при имеющемся дефиците белка в питании человека имеются дополнительные источники значительного количества животного белка, которые не используются рационально.

Одними из главных таких источников являются вторичные сырьевые ресурсы молочной промышленности, значительную долю среди которых занимает молочная сыворотка (МС), объемы которой увеличиваются с каждым годом. По данным Международной молочной Федерации, в настоящее время до 50 % молочной сыворотки не используется, создавая дополнительную проблему защиты окружающей среды.

Одним из перспективных путей использования этого сырья является производство сывороточно-белковых концентратов (СБК).

Во всем мире совершенствуются традиционные и создаются новые эффективные способы переработки МС, направленные на возможно более полное извлечение и использование ее белков. Выделение сывороточных белков (депротеинизация) является наиболее ответственным этапом безотходной переработки МС, поскольку на основе депротеинизированной МС может быть выработан ряд разнообразных пищевых продуктов. Изыскиваются новые пути применения выделенных белков в различных отраслях пищевой промышленности, что позволяет улучшить биологические и вкусовые достоинства продуктов при одновременной экономии дефицитного пищевого сырья. Депротеинизация МС открывает разнообразные пути ее дальнейшей переработки.

В промышленности в настоящее время наиболее широкое распространение получили способы выделения белков, основанные на их коагуляции, способы выделения с применением мембранной техники и сорбционные способы (в основном используются для получения 5 отдельных фракций белков, обладающих высокой биологической активностью). Первые хотя и позволяют выделять белки только в денатурированном состоянии, но имеют ряд достоинств, определяющих их предпочтительное применение, т.к. они:

- позволяют совместить тепловую коагуляцию белков с дезодорацией и пастеризацией (стерилизацией) МС, что упрощает последующую переработку депротеинизированной МС в пищевые продукты;

- получаемые концентраты сывороточно-белкового коагулята (КСБК) могут быть использованы в качестве полноценной белковой добавки к традиционным молочным продуктам и кормам;

- не требуют сложного и дорогостоящего оборудования и больших затрат на его обслуживание, что обусловливает низкие текущие затраты на выделение белка.

Среди способов, основанных на коагуляции белков, наиболее широко применяются способы основанные на тепловой коагуляции. Однако их техническая реализация неудовлетворительна, отсутствуют математические описания кинетики этих процессов. Эффективность процессов тепловой коагуляции МС существенно возрастает при переходе на поточный метод тепловой обработки, который позволяет существенно снизить энергозатраты за счет рекуперации теплоты и стоимость оборудования за счет уменьшения его габаритов. Экспериментальные данные при исследовании процессов тепловой коагуляции в большинстве случаев получены в периодических условиях и могут применяться ограничено для описания процессов, протекающих непрерывно. Все это сдерживает разработку высокоэффективного оборудования для коагуляции сывороточных белков в МС.

Цель исследования состоит в повышении эффективности выработки концентратов из коагулятов белков творожной сыворотки (ТС) путем исследования процесса высокотемпературной тепловой коагуляции в проточном пароконтактном аппарате, изучения свойств коагулята и режима выделения белкового концентрата из тарельчатой центрифуги.

Для достижения поставленной цели с учетом анализа имеющейся информации необходимо: создать полупроизводственную экспериментальную пароконтактную установку для высокотемпературной тепловой коагуляции белков ТС; провести экспериментальные исследования процесса 6 тепловой коагуляции ТС на проточной установке;

- на основе экспериментальных данных получить зависимости, описывающие кинетику процесса тепловой коагуляции белков ТС;

- изучить свойства коагулята белков ТС; провести теоретический анализ процесса тепловой коагуляции белков ТС; разработать методику расчета производственной установки;

- изучить режим центробежного осаждения сывороточно-белкового коагулята; изучить качественные характеристики выработанной молочной продукции с добавками КСБК;

- определить состав технологического оборудования участка переработки ТС; произвести расчет экономической эффективности использования КСБК для выработки молочной продукции;

- определить пути использования КСБК.

Научная новизна. Получена опытная кинетическая закономерность полноты тепловой коагуляции белков ТС при изоэлектрическом значении рН в зависимости от интенсивности и продолжительности теплового воздействия в условиях проточного пароконтактного нагрева. На основе математического анализа процесса с использованием фундаментальных законов физической и коллоидной химии, макро- и микрокинетики, балансовых соотношений разработана его математическая модель, с помощью которой может быть вычислена полнота коагуляции, а также дисперсный состав коагулята в зависимости от параметров тепловой обработки ТС. Обработкой данных опытов получены значения констант уравнений математической модели.

Установлен предпочтительный температурный режим тепловой обработки.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков, список литературы из 94 наименования и 8 приложений.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Смирнов, Владимир Юрьевич

б.Основные результаты работы

1. Путем анализа имеющейся информации по депротеинизации ТС обоснована схема высокотемпературной пароконтактной тепловой коагуляции белков ТС с последующим ее сепарированием, соответствующая целям научно-технической программы ОАО"ОМЗ" "Комплексная переработка ТС";

2. Разработан и создан опытный образец полупромышленного проточного аппарата для пароконтактной тепловой обработки ТС;

3. Путем обобщения результатов экспериментов по тепловой коагуляции ТС получены кинетические зависимости процесса в форме уравнений регрессии;

4. В результате теоретического анализа совмещенных процессов денатурации белков и их коагуляции получены уравнения кинетики роста массы отдельных частиц, массы и площади поверхности коагулята уравнения кинетики в зависимости от интенсивности и продолжительности теплового воздействия;

5. Путем обработки данных дисперсного анализа коагулята сывороточных белков, полученного при разных режимах теплового воздействия определено значение кинетического коэффициента коагуляции, а также зависимость от температуры коэффициента скорости денатурации.

6. Разработана методика инженерного расчета проточной установки для пароконтактной высокотемпературной тепловой обработки ТС с рекуперацией теплоты;

7. Спроектирован и создан опытно-производственный участок, включающий установку для тепловой пароконтактной обработки ТС с теплообменным оборудованием для рекуперации теплоты, а также оборудование для получения концентрата сывороточно-белкового коагулята;

8. Проведены испытания выделения скоагулированного белка на сепараторе-сливкоотделителе. Получены данные по предпочтительному режиму работы сепаратора;

9. По результатам данных испытания оборудования опытно-производственного участка выполнен экономический расчет эффективности выработки КСБК из ТС путем ее высокотемпературной обработки в потоке (для условий ОАО "ОМЗ") [приложение 7 ].

90

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Смирнов, Владимир Юрьевич, 2000 год

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.-М. .Наука.-1976.-280с

2. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. -М.: Госэнергоиздат, 1948. -287 с.

3. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматиздат, 1960.-716с.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.:Наука, 1969. -736 с. З.Алексеева Н.Ю., Павлова Ю.В., Шишкин Н.И. Современныедостижения в области химии белков молока: Обзорная информация,- М.: АгроНИИТЭИММП, 1988. 32 с.

5. А.С. 908305. Способ очистки творожной сыворотки от белковых веществ/ Храмцов А.Г., Холодов Г.И., Чеботарев А.И., Камышкова Т.А.-опубл. 28.02.82.

6. А.С. 1741719. Способ извлечения сывороточного белка из молочной сыворотки / Адеева Л.Н., Сизиков A.M.- опубл. 23.06.92.

7. Березовская A.A., Шмелева Л.И. Применение метода для оценки специфического запаха молочных продуктов // Молочная промышленность.-1978, №9.-С. 18-20.

8. Борисов А.Т. Извлечение белковых веществ из творожной сыворотки на сопловом сепараторе с рециркуляцией и параболическими тарелками. -Дисс. . на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М., 1982. -197 с.

9. Ю.Бражников A.M., Рогов И.А., Михайлов H.A., Сильченко М.Н. Возможные подходы к аналитическому проектированию комбинированных продуктов питания // Известия вузов СССР. Пищевая технология. -№3. -1985.-С.22.

10. П.Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Химия, 1976. 512 с.

11. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. -344 с.

12. Горбатова К.К. Химия и физика белков молока. М.: Колос, 1993,192с.

13. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. -М.: Госиздат физ. мат. лит-ры. -1962. -368 с.

14. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. -М.Наука, 1985. 398 с.91

15. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. -М.:Наука, 1986. -204 с.

16. Дерягин Б.В. Духин С.С., Рулев H.H. Микрофлотация: водоочистка, обогащение. -М.: Химия, 1986. 112 с.

17. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред М.: Энергия, 1968. - 424 с.

18. Дьяченко П.Ф. Исследование белков молока // Тр. В НИМ И. М., 1959. Вып. 19 - 83 с.

19. Ересько Г.А., Кийс A.A., Маслов A.M., Николаев Л.К. Оборудование для высокотемпературной пастеризации, стерилизации и охлаждения пищевых жидкостей. Л.: Машиностроение, 1967. - 230 с.

20. Ересько Г.А. Контактные аппараты в молочной промышленности // Республ. межведом, научно-технич. сб. "Пищевая промышленность", №7. -Киев. -1968.

21. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительство. -М.: Стро йиздат, 1970. -415 с.

22. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. -М.: Химия, 1985. 448 с.27 .Кириллов И.И., Яблоник P.M. Основы теории влажнопаровых турбин. -Л. Машиностроение, 1968. 264 с.

23. Климовский И.И. Биохимические и микробиологические основы производства сыра. М.: Пищевая промышленность. 1966. - 207 с.

24. Космодемьянский Ю.В. Процессы и аппараты пищевых производств. -М.: Колос, 1997.-208 с.

25. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. -M.-JI: Машгиз, 1952.- 321 с.31 .Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидравлика газожидкостных систем. -М.:Энергия, 1978. -296 с.92

26. Лемаринье К.П. Асептическое консервирование пищевых продуктов. М.: ЦИНТИпищепром, 1964. - 32 с.

27. Липатов H.H. Сепарирование в молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1971. - 400 с.

28. Матвеенко П.С., Стабников В.Н. Струйные аппараты в пищевой промышленности. -М.: Пищевая промышленность, 1980. -224 с.

29. Матов Б.М. Флотация в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1976. -168 с.

30. Мачулина Л.П., Гек В.И. Инжекционные водонагреватели // Сб. тр. ВНИИторгмаш, №8.-1962.

31. Мерке Я. Влияние природы суспензии на результаты сепарации. -М.: ЦИНТИпищепром, 1967. -20 с.

32. Мунхоев Л.И. Разработка бесприводного сепаратора для осветления творожной сыворотки от коагулированных сывороточных белков. Дисс. . на соиск. уч. степени канд. техн. наук. - M., 1985. -158 с.

33. Налимов В В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экспериментальных данных. -М.: Наука. -1965. -56 с.

34. Нестеренко. Нестеренко П.Г., Задорожная В.Н., Серов A.B. Производство и использование белков молочной сыворотки: Обзорная информация М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1983,- 33с.

35. Отраслевой каталог. Оборудование технологическое для молочной промышленности. М.: НПО "Мир", 1990.- 393 с.

36. Патент Р Ф. № 2025076. Способ очистки молочной сыворотки / Храмцов А.Г., Абдулина Е.Р., Евдокимов И.А. опубл. 30.12.94.

37. Перепелкин К.Е., Матвеев B.C. Газовые эмульсии. Л.: Химия, 1979,197 с.

38. Получение и использование белков подсырной сыворотки: Обзорная информация / П.Ф. Крашенинин, В.Н. Богданов, А.Г. Храмцов и др. М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1973. - 32 с.

39. Производство молочнобелковых концентратов: Обзорная информация/ Б.С. Бедных, И.А. Евдокимов, А.Г. Храмцов и др.- М.: АгроНИИТЭИММП, 1994. 48 с.

40. Протопопов И И. Исследование пароконтактного способа тепловой обработки молока с целью оптимизации управления процессом стерилизации питьевого молока. . Дисс. . на соиск. уч. степени канд. техн. наук. - М., 1975.-199 с.93

41. Пыргару Ю.М. Интенсификация процессов электрокоагуляции сывороточных белков: Автореф. дис. д-ра техн. наук. Кишинев, 1996. - 17 с.

42. Романков П.Г., Плюшкин С.А. Жидкостные сепараторы. Л.: Машиностроение, 1976. -256 с.

43. Россихина Г. А., Мастаков Н.Н, Селезнев В.И. Влияние высокотемпературной тепловой обработки на состав и свойства молока // Молочная промышленность. 1970. - № 9,- С. 19

44. Рудопашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980. - 240 с.

45. Румынский JI.3. Математическая обработка результатов экспериментов. -М.: Наука, 1973. 205 с.

46. Русанов А.И., Левичев С.А., Жаров В.Т. Поверхностное разделение веществ (Теория и методы). JL: Химия, 1981. - 183 с.

47. Семенов Е.В. Методы расчетов процессов обработки дисперсных систем в мясной и молочной промышленности: Моделирование и математический анализ. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. -232 с.

48. Сильченко М.Н. Разработка состава и режимов сушки "Оволакта" для энтерального питания. Дисс. . на соиск. уч. степени канд. техн. наук. М., 1988. -165 с.

49. Скрылеев Л.Д., Пурич А.Н., Осоков В.К. и др.// ЖПХ,- Т50, 1977.-№6. -С.1410-1412.

50. Смирнов В.Ю., Юрии В Н., Космодемьянский Ю.В. Выделение белков из молочной сыворотки. М.: МГУПБ, 1999. - 68 с.

51. Смирнов В.Ю., Юрин В.Н., Космодемьянский Ю.В. Линия для тепловой обработки жидких продуктов. Решение о выдаче патента на изобретение от 28.12.99 по заявке № 99113111/13 (014299) МПК 7А 23L3/16

52. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М,: Госэнергоиздат, 1960. -208 с.5 9. Сурков В. Д., Золотин Ю.П., Фофанов Ю.Ф., Одерий Л.П. Исследование качества пара для пароконтактной стерилизации молока // Молочная промышленность, №6,1971,- С.32.

53. Сурков В.Д., Золотин Ю.П., Одерий Л.П. Инжекционные смесители пароконтактных стерилизаторов молока. -М.: ЦНИИТЭИмясомолпром, 1969. -31 с.

54. Сэнкевич Т., Ридель К.Л. Молочная сыворотка: переработка и использование в агропромышленном комплексе / Под ред. H.H. Липатова. М.: Агропромиздат, 1989,- 270 с.94

55. Тарасов Ф.М. Исследование работы пароструйных аппаратов в молочной промышленности. Дисс. . на соиск. уч. степени канд. техн. наук. -Л., 1947. 128 с.

56. Тарасов Ф.М. Пароструйные аппараты в молочной промышленности. Пищепромиздат, 1953. -294 с.

57. Тарасов Ф.М. Тонкослойные теплообменные аппараты. М.: Машиностроение, 1969. - 363 с.

58. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. -М.: Химия, 1975. -263 с.

59. Фридман Б.Э. Гидроэлеваторы. М.: ГНТИ машиностр. лит-ры, 1960. -323 с.

60. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия. -1974.352 с.

61. Химия пищи: Лаб. раб. (1-20) и метод, указ. к их выполнению для студ. спец. 25.06. / М.: МГУПБ, 1993. 68 с.

62. Храмцов А.Г., Жидков В.Е., Холодов Г.И. Биотехнология напитков из молочной сыворотки. Ставрополь: ЦНТИ, 1996. - 143 с.

63. Храмцов А.Г. Молочный сахар. М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.

64. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка (Переработка и использование) -М.: Пищевая промышленность, 1979. 271с.

65. Черников М.П. О химических методах определения качества пищевых белков // Вопросы питания. -№1. -1986. -С.42-44.

66. Яминский В.В., Пчелин В.А., Амелина Е.А., Щукин В.Д. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. М.: Химия. - 1982. -184 с.7 7.Ястржембский A.C. Техническая термодинамика. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 494 с.95

67. Burton H. Ultra-high-temperature processed milk. Dairy Sei. Abstr, 1969. - N 31. - P. 287-297.

68. Forss D.A. Mechanisms of formation of aroma compounds in milk and milk products. J. Dairy Res., 1979.- V. 46.- N 4. - P. 691-706.

69. Jeurnink Theo J.M., De Kruif Kees G. Changes in milk on heating: Viscosity measurements // J. Dairy Res. -1993. V.2. - P. 139-150.

70. Kaliba J., Kott J., Jirovsky A. Dairy Science Abstracts, 1960. V. 22. -N11. - P.3076.

71. Kessler H.G. Whey protein denaturation, aggregation and application. -// Brief Comunications and Abstracts of Posters of XXIII International Dairy Congress. -1998.-P. 28

72. Kirchmeiler O. Milchwissenschaft, 1969. J. 24,- H. 6,- S. 336-343.

73. Law Andrew J.R. Effect of Heat tream ment and acidification tiy dissocation of bovine casein micelles // Journal Dairy Research. 1996. - V.34. - N 6. - P. 329-332.

74. Marschall K.R., Harper W. J. Whe protein concentrates / Bulletin of IDF1988. №233. P.21-32.

75. McMahon D.J., Brown R.J. Composition, structure and integrity of casein micelles: a review // J. Dairy Sei. -1984. V.67. -N 3. -P.499-512.

76. Morgan A.I. J. Dairy Science, 1960. P.43.

77. Nakayama H., Matievic E., Shinoda K. e. a. // J. Coll. and Interf. Sei., 1977. V.61. - N 3. - P. 590-599.

78. Patent USA №2130644. Apparatus for treating lactic fluids / Hammer B.W. etal. 1938.

79. Pearce R. Termal denaturation of whey protein // Bulletin of the JDF.1989.-N238.

80. Pori J.W.G., Thompson S.V. Nutritional aspocts. IDF Seminar on UNT milk, inMalmö, 1971.

81. Shipe W.F. et al. Of flavour milk. Nomenclature, standards and bibliography. J. Dairy Sei., 1978. - V. 61. - N 7. - P. 855-869.93 .Wit J.N. Functional properties of whey proteins in food systems // IDF Symposium. -1983. P. 116-185.

82. Wit J.N. Structure and Functional behavior of whey proteins // Neth. Milk Dairy J. 1991.-V.35.-P.47.96