CC BY
50
^КАЧЕСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ
Электрохимическая активация
для регулирования кислотности молока
Т.Н. Иванова, М.А. Тарасова, О.В. Мартынова
Орловский государственный технический университет
Кислотность молока - один из главных критериев оценки качества молока. В соответствии с ГОСТ Р 520542003 кислотность свежевыдоенного коровьего молока составляет 16-18 °Т. Она обусловливается наличием кислых солей - дигидрофосфатов и дигиро-цитратов (около 9-13 °Т), белков - казеина и сывороточных белков (4-6 °Т), диоксида углерода, кислот (молочной, лимонной, аскорбиновой, свободными жирными и др.) и других компонентов молока, которые в сумме дают около 1-3 °Т [5, 8].
При хранении сырого молока, а также при его транспортировке с ферм на молочные заводы титруемая кислотность повышается по мере развития в нем микроорганизмов, сбраживающих молочный сахар с образованием молочной кислоты [5, 6, 9]. Повышение кислотности вызывает нежелательные изменения свойств молока, особенно снижение устойчивости белков к нагреванию. Поэтому молоко с кислотностью 21 °Т принимают как несортовое, а молоко с кислотностью выше 22 °Т не подлежит сдаче на молочные заводы.
В настоящее время не существует промышленных способов регулирования кислотности молока и продуктов его переработки, которые не повлияли бы отрицательно на качественные показатели выработанной продукции. Поэтому проблема сохранности качества молочного сырья весьма актуальна.
Специалистами разработана не имеющая аналогов технология регулирования кислотности молока, сыворотки, обрата, молочных и других жидких пищевых продуктов в широких пределах в непрерывном потоке, без применения химических средств, с использова-
нием электрохимической активации [1]. Технология позволяет сохранить органолептические, физико-химические свойства, а также улучшить питательную ценность продукта. По этой технологии можно, например, молоко с повышенной кислотностью 25-30 °Т, т. е. до появления сгустка, восстановить по качественным показателям до парного.
Электрохимическая активация (ЭХА) как физико-химический процесс - это совокупность осуществляемых в условиях минимального выделения тепла электрохимического и электрофизического воздействий на воду с содержащимися в ней ионами и молекулами растворенных веществ. Такое воздействие происходит в области пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через границу «электрод-электролит» электронами [2, 3].Электрохимические реакции можно представить в виде реакций:
2Н+ + 2е ^ Н2, 2НО + 2е ^ Н + 2 ОН-
(1) (2) (3)
В результате этого процесса получаются электрохимически активные растворы - анолит и католит. При этом аналит обладает высокоактивными антимикробными, дезинфицирующими свойствами.
В молоке содержится в среднем 88 % воды. Вода, входящая в состав молока, неоднородна по физико-химическим свойствам. Большая часть воды молока (84,5-85 %) находится в свободном состоянии, т. е. может принимать участие в биохимических реакциях, поэтому представляется возможным применение электрохимической активации молока [5, 6, 9]. Меньшая часть (3-3,5 %) воды находится в связанном состоянии и удерживается молекулярными силами около поверхности коллоидных частиц (белков, фос-фолипидов, полисахаридов).
Как известно [6], при пропускании электрического тока белки передвигаются к катоду или аноду в зависимости от заряда белковой молекулы (рис. 1).
Глобулярные белки за счет преобладания в них остатков кислых аминокислот приобретают в растворах избыток отрицательных зарядов. Только при определенном рН наблюдается равенство отрицательных и положительных зарядов, т. е. электрический заряд белков в целом будет равен нулю (см. рис. 1). При этих условиях белок находится в изоэлектрическом состоянии, и белковая молекула не перемещается в изоэлектрическом поле. Таким же поведением к изоэлектрическим полям могут обладать жиры и углеводы молока. В связи с этим необходимо подобрать условия проведения реакции (реакции 1, 2, 3) и режима с целью сохранения компонентов молока, которые определяют не только качество молока, но и его биологическую ценность. Такие условия или такой режим можно назвать оптимальным.
Исследования по изучению процесса электрохимического воздействия на молоко (рис. 2) проводили на лабораторной установке, собранной на базе трех параллельно соединенных реакторов ПЭМ-3, предоставленной ЗАО «Институт Витольда Бахира». При элек-
Рис. 2. Процесс активации молока
Раскисленное (парное) молоко
Анолит пресной воды, рН<5
Кислотность менее 19°Т
2Н20+2е^> Н2+20Н~
ОН"
Рис. 1. Схема перезарядки молекулы белка при различных значениях рН а) рН выше изоэлектрической точки, суммарный заряд отрицательный, движение к аноду; б) - рН соответствует изоэлектрической точке, суммарный заряд равен нулю, движение в электрическом поле отсутствует; в) - рН ниже изоэлектрической точки, суммарный заряд положительный, движение к катоду
О
I
2НгО 4Н++ Ог
Скисающее молоко. Кислотность более 25°Т, ионы гидроксония в избытке
Пресная вода. рН=7
Р„ > Ра
2Н-0 - 4е ^ 4Н+ + О
QUALITY AND SAFETY
—Молоко после ЭХА при напряжении 3 В Молоко после ЭХА при напряжении 4 В
Рис. 3. Органолептическая характеристика молока после ЭХА (электролит вода)
Таблица 1
Физико-химические параметры молока цельного после ЭХА (электролит вода)
Параметры процесса ЭХА Физико-химические параметры молока
напряжение, В сила тока,А кислотность, °Т массовая доля жира, % массовая доля белка, % плотность, кг/м3
0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1,2
22 22 22 21 20 19 17
3,3 3,3 3,3 3,3 3,2 3,2 3,1
2,8 2,8 2,8 2,8 2,65 2,5 2,4
1030 1030 1030 1030 1028 1028 1027
трически параллельном соединении элементов ПЭМ-3 реактор фактически превращается в монополярный электролизер [4].
Молоко с повышенной кислотностью поступает в катодные камеры реактора, давление в которых (Рк) на 0,51,0 кгс/см2 больше, чем в анодных (Ра), через которые протекает электролит (см. рис. 2), расход молока в реакторе устанавливался меньше, чем расход электролита.
В качестве электролитов использовали питьевую воду, водные растворы ЫаС! и ЫаНС03. Исследовали влияние плотности тока, напряжения на электродах и скорости потоков на органолепти-ческие, микробиологические и физико-химические показатели молока.
Работу проводили в два этапа. Объект исследования - молоко цельное с кислотностью выше 22 °Т.
На первом этапе в качестве электролита использовали воду. Определяли органолептические параметры молока после прохождения ЭХА, титруемую кислотность (°Т), массовую долю белка (%), массовую долю жира (%), плотность (кг/м3), микробиологические показатели.
Было установлено [7, 8], что при использовании в качестве электролита воды с увеличением напряжения изменяются физико-химические свойства молока: плотность, массовая доля жира (на 3 %) и массовая доля белка (от 5,3 до 10,7%) (табл. 1), ухудшаются органолептические показатели (рис. 3).
Как видно из таблицы, при использовании напряжения 1-2 В кислотность молока не меняется. При напряжении 3 В кислотность меняется незначительно (на 1 °Т). При увеличение напряжения с 4 В изменяются органолептические параметры молока: вкус молока становится пресным, консистенция - водянистой, цвет приобретает слегка голубоватый оттенок.
Комплексное видение
зачастую открывает лучшее решение Инновации нельзя перевести в плоскость обычных машинных технологий. Поэтому епу1го охватывает и экологию, и экономику, и эргономику егМго за интеллектуаль ную технику, экологи ческую, надёжную экономичную и эффективную. Мы берём на себя ответственность за наш мир и человечество, которое живет в нём.
envito
www.krones-enviro.com
КАЧЕСТВО И БЕЗОПАСНОСТЬ
Рис. 4. Органолептическая характеристика молока после ЭХА при использовании в качестве электролита водного раствора ЫаС!
Проведенные микробиологические исследования позволили установить, что во время электрообработки молока происходит эффективная очистка его от клеточных компонентов (лейкоцитов, эпителиальных клеток, эритроцитов) и микроорганизмов, которые попадают от коров с субклинической формой мастита [1]. Таким образом, микробиологические показатели молока после процесса ЭХА соответствовали «Гигиеническим требованиям к
качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы» (СанПиН 2.3.2.1078-2003).
Второй этап исследования по использованию в качестве электролитов водных растворов ЫаС! и ЫаНС03 показал, что физические свойства молока остаются без изменения, титруемая кислотность снижается на 4-9 °Т (табл. 2, 3), а органолептические параметры молока соответствуют свежевыдоенно-му молоку (рис.4). Однако при пропускании через анодную камеру водного раствора ЫаНС03 (даже при концентрации 0,5 %) в молоке обнаружено наличие ионов НСО3-.
Проведенные исследования позволили установить оптимальные режимы процесса активации молока (табл. 4). Значительная разница 4°Т объясняется величиной электропроводности используемых электролитов: электропроводность ЫаС! больше, чем №НС03.
Анолит, полученный после активации водного раствора ЫаС!, имеет рН = 5 и обладает высокоактивными антимикробными, дезинфицирующими свойствами.
Согласно рис. 4, после обработки ЭХА органолептические показатели
Таблица 2
Физико-химические параметры молока цельного после ЭХА (электролит №0)
Параметры процесса активации Физико-химические показатели молока
концентрация водного раствора №С!, % напряжение, В сила тока, А кислотность, °Т массовая доля белка, % плотность, кг/м3
- - - 23 3,16 1029
1,0 6 3,0 16 3,16 1029
0,5 6 2,0 17 3,16 1029
0,2 6 1,7 18 3,16 1028
Таблица 3
Физико-химические параметры молока цельного после ЭХА (электролит NaHCOJ
Продукт Концентрация водного раствора №НС03, % Напряжение, В Сила тока, А Кислотность, °Т Массовая доля белка, % Плотность, кг/м3 Наличие ионов НСО3
- - - 23 3,16 1030 -
Проба 1 1,0 4 8 0,5 6,0 21 11 3,16 3,06 1029 1028 + +
0,5 4 8 0,5 5,0 22 12 3,16 3,06 1029 1028 + +
- - - 24 3,1 1029 -
Проба 2 0,05 8 1 20 3,1 1029 -
0,02 8 0,5 20 3,1 1029 -
Таблица 4
Оптимальные режимы проведения ЭХА
Электролит Концентрация электролита, % Напряжение, В Сила тока, А Д°Т
ЫаНС03 0,05 8 1,0 3
ЫаС! 1,0 6 3,0 7
молока улучшились. Так, показатель «вкус» получил 4,95 балла (таковой в исходном молоке составлял 3,25). Показатель «запах» - 5,0 балла (в исходном молоке - 3,42), а показатели «цвет» и «консистенция» остались без изменения.
Таким образом, проведенные исследования позволили выбрать электролит, установить оптимальные условия для проведения электрохимической реакции.
Результаты эксперимента показали целесообразность и перспективу применения активации молока с целью регулирования его кислотности без изменения состава и с улучшением его ор-ганолептических свойств.
Дальнейшие исследования будут направлены на моделирование процесса с целью более детального его изучения и управления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алехин С.А., Гуляммахмудов А.Г., Пироговский Н.А., Суюндуков Ф.К., Ситников В.Ф., Ким Е.Л. Новая технология регулирования кислотности молока и жидких пищевых продуктов с использованием униполярной электроактивации/Всероссийская конференция «Методы и средства стерилизации и дезинфекции в медицине». - М., 1992.
2. Бахир В.М. Электрохимическая активация. - М.: ВНИИИ мед. техни-ки,1992.
3. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И., Сухова О.И. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. - М.: ВНИИИМТ, 1999.
4. Патент 93048671/13 Установка для раскисления молока/В.М. Бахир, Ю.Г. Задорожний, Т.Б. Барабаш, Е.В. Наумова.
5. Горбатова К.К. Химия и физика молока. - СПб.: ГИОРД, 2004.
6. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. - 3-е изд., пе-рераб. и доп. - СПб.: ГИОРД, 2004.
7. Иванова Т.Н., Тарасова М.А., Мартынова О.В. Исследование воздействия процесса электрохимической активации на гомогенные биосреды/Региональный рынок потребительских товаров: «Особенности и перспективы развития, качество и безопасность товаров и услуг». - Тюмень, 2007.
8. Тарасова М.А., Мартынова О.В. Изменение физико-химических и сенсорных свойств гомогенных биосред в процессе электрохимической активации/всероссийская научно-практ. конф.: «Инновационные технологии обеспечения безопасности питания и окружающей среды». - Оренбург, 2007.
9. Твердохлеб Г.В., Раманаускас Р.И. Химия и физика молока и молочных продуктов. - М.: ДеЛи принт, 2006.
