CC BY
164
УДК 637.344.8
Деминерализация и нейтрализация творожной сыворотки в процессе нанофильтрации
Шохалова Вероника Николаевна, аспирант e-mail:[email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Кузин Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе
e-mail:[email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Дыкало Николай Яковлевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
e-mail:[email protected]
Акционерное общество «Молочный комбинат «Ставропольский»
Неронова Елена Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шохалов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологического оборудования e-mail:[email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Аннотация. Рассмотрен процесс нанофильтрации как способ деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки. На основе химического анализа состава концентрата и фильтрата получены теоретические зависимости по удалению минеральных солей и молочной кислоты в процессе обработки. Обосновано оптимальное значение фактора объемного концентрирования для деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки.
Ключевые слова: нанофильтрация; деминерализация; нейтрализация; творожная сыворотка.
Наибольший практический интерес нанофильтрация представляет как способ деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки. Одновременно происходит и концентрирование ее ценных компонентов - белков и лактозы. Технологические показатели НФ-концентратов позволяют использовать их для производства таких продуктов как мороженое, йогурт, напитки и др. [1, 2]. Но при проектировании рецептур и технологических схем производства продуктов на их основе необходимы предварительные исследования по зависимости уровня деминерализации и нейтрализации творожной сыворотки от степени концентрирования.
Большинство исследований в этой области было проведено на подсырной сыворотке [2,3,4]. Так, A. Roman исследовал деминерализацию кислой подсырной сыворотки с помощью нанофильтрации в комбинации с диафильтрацией, а E. Suarez изучала деминерализацию подсырной сыворотки и УФ-пермеата с помощью нанофильтрации.
Целью работы является исследование степени удаления минеральных солей и молочной кислоты в творожной сыворотке при ее концентрировании нанофиль-трацией.
Творожную сыворотку с титруемой кислотностью 70 °Т и рН 4,65, полученную от производства творога на непрерывно-поточной линии подвергали обработке в течение 30 мин при 40 °С и давлении 26 бар на пилотной нанофильтрацион-ной установке, оснащенной мембраной с молекулярной массой отсечки 200 Да. По окончании процесса в концентрате и фильтрате определялись массовая доля молочной кислоты, золы и некоторых ионов минеральных солей в отдельности.
При исследовании состава применялись стандартные и общепринятые методы определения [5-7]. Содержание натрия, калия, кальция, магния определяли атомно-абсорбционным методом с предварительной минерализацией при 200 °С в течение 15 мин с использованием прибора «Spektr AA-220FS».
Степень удаления золы и молочной кислоты в зависимости от фактора концентрирования определялась расчетным путем по предложенному авторами уравнению [8]:
1
(1)
где Д - степень удаления компонента; N - фактор объемного концентрирования; к - коэффициент разделения.
Уравнение позволяет определить степень удаления любого компонента при нормальном (без диафильтрации) режиме нанофильтрации. Фактор объемного концентрирования N определялся как отношение объёма сыворотки к объему фильтрата [2,8]:
(2)
где V0 - исходный объем сыворотки; V - объем концентрата.
Постоянный коэффициент к определялся по данным состава фильтрата и концентрата по формуле [8].
где Сф - концентрация компонента в фильтрате; С - концентрация компонента в концентрате.
(3)
Коэффициент к является характеристикой нанофильтрационной мембраны и показывает, насколько эффективно применяемые НФ-мембраны пропускают или задерживают тот или иной компонент. В таблице представлены экспериментальные данные состава продуктов разделения творожной сыворотки нанофильтраци-ей и результаты расчета к [9].
Таблица. Содержание компонентов в продуктах разделения творожной сыворотки нанофильтрацией.
Массовая доля, % Коэффициент
Компонент Исходная сыворотка НФ- концентрат, Ск НФ-фильтрат, Сф разделения, к
Молочная кислота 0,62 1,55 0,424 0,274
Зола 0,65 1,52 0,488 0,321
Натрий 0,05 0,119 0,037 0,309
Калий 0,121 0,256 0,099 0,386
Кальций 0,104 0,351 0,007 0,021
Фосфор 0,054 0,183 0,003 0,017
Магний 0,081 0,277 0,002 0,007
В производственных условиях оптимальным режимом является концентрирование до N = 3,5, что соответствует 18-20 % сухих веществ и продолжительности обработки порядка 30 мин. Проведение нанофильтрации до значения N более 4 из-за резкого снижения производительности установки экономически нецелесообразно [10]. Степень удаления золы и молочной кислоты Д, в зависимости от фактора объемного концентрирования N в диапазоне от 1 до 4 представлена на рис. 1.
- I И .1 —-- - М II I Г ЧН.ЧЯ КI !. .> I.'!
Рис. 1. Зависимость степени удаления золы и молочной кислоты от фактора объёмного концентрирования
творожной сыворотки нанофильтрацией
Как следует из рис. 1 для исследуемых компонентов с увеличением фактора объемного концентрирования значения Д повышаются. Абсолютные значения Д для золы выше чем, для молочной кислоты. Максимальное восхождение кривых наблюдается при значениях N до 3,0, после чего интенсивность удаления компонентов снижается. При факторе объемного концентрирования выше 3,5 значения Д практически не изменяются. Это связано с повышением осмотического давления в концентрированном растворе, а также с образованием белкового гелевого слоя на поверхности мембраны [2]. При проведении нормального режима нанофильтрации степень деминерализации при N = 3,5 составляет 33 % и уровень удаления молочной кислоты 29 %.
Теоретический интерес представляет определение степени удаления отдельных ионов, формирующих общий уровень деминерализации. Для этой цели на основании экспериментальных данных состава фильтрата и концентрата (табл.) по уравнению (1) была рассчитана степень удаления ионов Na+, К+, Са2+, Мд2+ и Р3+ (рис. 2).
с
а
ч
в
0,4
0.3 0,25
£ 0,2
I
0 1
0,0? о
■ Г __________ _-ч
- —3 1=1
1,5 2 2,? 3 3,5
Фактор объйчного концентр цюваш и, Л' ■ На т|>1 П1 —— К аш(й £ К ал ыр й □ ФосАор —
■Матнй
Рис. 2. Зависимость степени удаления ионов минеральных солей от фактора объемного концентрирования
творожной сыворотки нанофильтрацией
С увеличением концентрирования для всех ионов степень деминерализации в исследуемом диапазоне повышается. Однако максимальное удаление наблюдается для ионов Na+ и К+. Для многовалентных ионов зависимости имеют линейный характер при этом значения Д намного ниже, что можно объяснить их большей молекулярной массой по сравнению с одновалентными ионами. При N = 3,5 удаление одновалентных катионов составляет 30...40 %, многовалентных - 10...15 %. Полученные результаты согласуются с исследованиями авторов [2, 3].
Выводы.
Максимальная скорость удаления золы и молочной кислоты в процессе нанофильтрации отмечается при концентрировании до N = 3,5.
Концентрирование творожной сыворотки нанофильтрацией до значений N более 4,0 нецелесообразно.
Деминерализация сыворотки происходит в основном за счет удаления одновалентных ионов Na+ и К+.
Список литературных источников:
1. Варивода, А. А. Молочная сыворотка мембранной обработки в технологии плавленых сыров / А. А. Варивода // Международный научно-исследовательский журнал. - 2014. - №2-1(21). - С. 80-84.
2. Suarez, E. Partial demoralization of whey and milk ultrafiltration permeate by nanofiltration and pilot-plant scale/E. Suarez, А. Lobo , S. Alvarez., A.Riera, R.Alvarez // Desalination. - 2006. - Vol .198. - Р. 274-281.
3. Roman, A. Partial demineralization and concentration of acid whey by nanofiltration combined with diafiltration/ A.Roman, J. Wang, J.Csanadi, C.Hodur, G. Vatai // Desalination. - 2009. - Vol. 241. - Р. 288-295.
4. Dec, B. Application of nanofiltration for demineralization and deaciditication of twarog acid whey/B.Dec, W.Chojnowski // Pol.J.Natur.Sc. - 2007. - Vol.22. - Р .320332.
5. ГОСТ 51463-99. Казеины сычужные и казеинаты. Метод определения массовой доли золы. - Введ. 2002-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2011. - 6 с.
6. ГОСТ 31716-2012 (ISO 8069:2005). Межгосударственный стандарт Молоко сухое. Определение содержания молочной кислоты и лактатов. - Введ. 2013-0701. - М. : Стандартинформ, 2013. - 12 с.
7. Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов / Ред. И. М. Скурихин, В. А. Тутельян. - М. : Брандес, Медицина, 1998. - 340 с.
8. Шохалова, В. Н. Нанофильтрация творожной сыворотки: теоретические и практические аспекты / В. Н. Шохалова [и др.] // Молочная промышленность. -2014. - №11. - С. 65-66.
9. Шохалова, В. Н. Состав НФ-концентратов творожной сыворотки / В. Н. Шохалова [и др.] // Молочная промышленность. - 2014. - №12. - С. 56-57.
10.Шохалова, В. Н Использование нейтрализованных концентратов творожной сыворотки, полученных методом нанофильтрации в качестве заменителя обезжиренного молока / В. Н. Шохалова [и др.] // Сборник статей международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки». - Уфа, 2014. - Ч. 4. - С. 345-349.
References:
1. Varivoda A. A. Whey of membrane processing in technology of processed cheeses. Mezhdunarodnyynauchno-issledovatel'skiyzhurnal [Proc. of the International Research Journal], 2014, no.2-1(21), pp. 80-84.
2. Suarez E. [et.al.] Partial demineralization of whey and milk ultrafiltration permeate by nanofiltration and pilot-plant scale. Desalination, 2006, vol. 198, p. 274 - 281.
3. Roman A. [et.al.] Partial demineralization and concentration of acid whey by nanofiltration combined with diafiltration. Desalination, 2009, vol. 241, p. 288-295.
4. Dec B. [et.al.] Application of nanofiltration for demineralization and deaciditication of twarog acid whey. Estestvennye nauki [Nature Sciences], 2007, V. 22., p. 320-332.
5. State Standard 51463-99.Rennet casein and caseinates. Method of ash mass fraction estimation. Moscow, Izdatel'stvo Standartov Publ., 2011. 6 p. (In Russian)
6. State Standard 31716-2012 (ISO 8069:2005) Interstate standard. Milk powder. Lactic acid and lactate content test. Moscow, Standartinform Publ., 2013. 12 p. (In Russian)
7. Rukovodstvopometodamanalizakachestvaibezopasnostipishchevykhproduktov [Guide to the methods of analysis of the quality and safety of food products]. Edited by Skurikhin I. M., Tutelyan V. A., Moscow, Brandes Publ., 1998. 340 p.
8. Shokhalova V. N. Nanofiltration of cottage cheese whey: theoretical and practical aspects. Molochnayapromyshlennost' [Dairy Industry], 2014, no. 11, pp.65-66. (In Russian)
9. Shokhalova V. N. Composition of NF-concentrates of cottage cheese whey. Molochnayapromyshlennost' [Dairy Industry], 2014, no.12, pp. 56-57. (In Russian)
10.ShokhalovaV. N. Use of neutralized cottage cheese whey concentrate obtained by nanofiltration as a substitute for skim milk. Sbornikstateymezhdunarodnoynauch no-prakticheskoykonferentsii "Innovatsionnoerazvitiesovremennoynauki" [Proc. of Collection of articles of the International Scientific and Practical Conference "Innovative Development of Modern Science"], 2014, no.4, pp. 345-349.
Demoralization and neutralization of cottage cheese whey in the process of nanofiltration
Shokhalova Veronika Nikolaevna, a postgraduate student e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Kuzin Andrey Alekseevich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor, Vice-Chancellor of the Scientific Research Department e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Dykalo Nikolay Yakovlevich, Candidate of Science (Technics), Senior Research Scientist
e-mail:[email protected]
Joint Stock Company "Dairy Plant "Stavropol'skiy"
Neronova Elena Yur'evna, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Chair of Milk and Dairy Products Technology e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Shokhalov Vladimir Alekseevich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of the Dairy Equipment Chair e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Education Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Abstract. The article studies the process of nanofiltration as a way of cottage cheese wheydemineralizationand neutralization. Using the chemical analysis of the nanofiltration concentrate and filtrate compositions, theoretical dependence of mineral salt and lactic acid removal in the treatmentprocess has been found. Theresearch validates the optimal value of the volumetric concentration factor for cottage cheese whey demineralization and neutralization.
Keywords:nanofiltration, demineralization, neutralization , cottage cheese whey.
