CC BY
37
етых стой-. 1 со-
асте-) сво-
ІСИМО
ІИВОК : СЛИ-
Э5° С ается ието-учен-ивок; ство-
',5%,
,0 до
ІН0Г0
ЇМПЄ-
:ивок
газа
ство-
[ЄТОД
голу-
сли-
4068.™
асла.—
, I
чу-/ і
глич.—
IX про-
1-л.,
ІЛИЯНИЄ ІЗВ. ву-45.
6.12.88.
■ 637.146.1
ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ДЕПРОТЕИНИЗАЦИИ СЫВОРОТКИ НА ПРОЦЕСС МОЛОЧНО-КИСЛОГО СБРАЖИВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИОННОГО ОБМЕНА
Е. РЫМАШЕВСКИ, М. КУЯВСКИ, Г. ЦИХОШ
Институт технологии молочного дела Сельскохозяйственно-техническая академия в Олыитыне, Польша
В результате роста производства таких белковых продуктов, как сыры, творог, протеина-ты, казеин и казеинаты, возникает серьезная проблема утилизации сыворотки, являющейся вторичным молочным сырьем [1, 2].
В кормовых целях используется до сих пор только около 50% сыворотки, а остальное количество поступает в сточные воды и, следовательно, способствует загрязнению окружающей среды [3].
Сыворотка содержит целый ряд компонентов, которые могут быть использованы в продовольственных целях. Из них наиболее важны молочный сахар и сывороточные белки. Высокое содержание лактозы, минеральное соли, белки, а также биологически активные вещества позволяют использовать сыворотку в качестве питательной среды для производства молочной кислоты. Вопрос этот исследуется в нашем институте в течение ряда лет [4—7].
Целью настоящей работы было проследить влияние способов удаления белков из сыворотки на эффективность процесса молочно-кислого сбраживания, а также исследовать возможность очистки и освобождения молочной кислоты из раствора лактата аммония с помощью техники ионного обмена.
В опыте использовали сычужную сыворотку, освобожденную от белков с помощью следующих двух методов:
1) нагревание до 90—95° С при pH = 4,9 с последующей декантацией и дополнительной фильтрацией через фильтровальную бумагу;
2) ультрафильтрация с применением мем-
браны типа HI DX-50 (50,000 дальтонов). Очищенную от белков сыворотку обогащали ионами Zn + +, + , Мп+ + в количестве по 0,012%
и добавляли к ней 0,5% дрожжевого экстракта.
В качестве продуцентов молочной кислоты использовали штаммы Lactobacillus bulgari-cwsiee, L. bulgaricus-259 и L. bulgaricus2^2, полученные из коллекции Предприятия по производству молочных биопрепаратов в Олыитыне. Закваску, содержащую смесь указанных штаммов, вводили перед началом опыта в количестве 5% объема сыворотки.
Процесс молочно-кислого сбраживания проводили периодическим способом с непрерывной нейтрализацией образующейся молочной кислоты при помощи Зн. NH4OH. В течение всего опыта поддерживали на постоянном уров-
не pH (5,5—5,6), температуру (42° С), обороты мешалки (200 об/мин) и объем перерабатываемой сыворотки (4.000 см3).
На протяжении процесса сбраживания через каждые 2 ч определяли содержание лактозы методом Бертрана [8] и прирост клеток путем измерения помутнения среды турбиди-метрическим методом [9J. Кроме того, в начале опыта и по его истечении определяли содержание общего азота по Кьельдалю [8], небелкового азота [10], азота аминокислот [11], лактозы по Бертрану [8] и сухого вещества [8].
По окончании сбраживания из нейтрализованной сыворотки удаляли биомассу молочнокислых бактерий с помощью методов:
1) центрифугирование (центрифуга Sharp-less при 5550 g);
2) ультрафильтрация (мембрана HI DP-50).
Полученный раствор лактата аммония подвергали ионному обмену на ионите Wofatit KPS производства ГДР. Этот сильнокислый стироловый ионообменник, содержащий сульфон-ные группы, поставляется в натриевой форме [12].
Через подготовленный для обмена ионит [4, 5, 6, 12, 13, 14] пропускали растворы лактата аммония, полученные в различных вариантах опыта (табл. 1). Элюат, содержащий освобожденную молочную кислоту, собирали в мерные цилиндры по 25 см3 до достижения предельного момента, который устанавливали по появлению в элюате ионов аммония [14].
Продолжительность ионного обмена колебалась от 36 до 90 мин. Скорость элюции исследованных растворов регулировали таким образом, чтобы она не превышала 1,0 RBV/жмн [6, 12] (RBV — resin bad volume — скорость элюции по отношению к объему колонки).
По достижении предельного момента катионит промывали дистиллированной водой, а потом регенерировали при помощи 2, Зн. НС1 со скоростью 0,024 — 0,040 RBV/лшм. Продолжительность регенерации была постоянной и составляла 50 мин. С целью удаления хлоридов, образующихся во время регенерации, ка-.тионит снова промывали дистиллированной водой со скоростью примерно 10 см3/мин до исчезновения реакции на хлориды. Продолжительность промывки зависела от объема катионита. Восстановленный катионит использо-
Таблица 1
Вариант Количество Количество Эффектив- Рабочая Предельный
Вид раствора лактата аммония ионов NHiV сорбирован- ность обменная момент в г
опыта введенных ных ионов ионного емкость, молочной
на ионит, NH.it обмена, м-экв/дм3 кислоты
г/дм'1 г/дм'1 °/ /о на 1 дм3 ионита
I Раствор из сыворотки, очищенной от бел-
ков методами:
термическим, биомассу бактерий удаляли гг центрифугированием
ультрафильтрации, биомассу бактерий уда-
III ляли центрифугированием термическим, биомассу бактерий удаляли
IV ультрафильтрацией ультрафильтрации, биомассу бактерий уда-
V ляли ультрафильтрацией раствор, полученный, как в варианте IV,
VI сгущенный до 9,5% лактата аммония контрольный раствор — 9% химически чистый лактат аммония
вали для освобождения следующих порций молочной кислоты.
На рисунке показано изменение содержания лактозы, расхода гидроокиси аммония (% молочной кислоты) и оптической плотности в процессе молочно-кислого сбраживания на питательной среде из молочной сыворотки, освобожденной от белка термическим методом (а) и методом ультрафильтрации (б).
В первой части опыта проследили влияние способа удаления белков из сыворотки на эффективность молочно-кислого сбраживания (табл. 2).
Как видно из рисунка и табл. 2, оба исследованных метода — термический и ультрафильтрация — дали близкие результаты. Степень сбраживания лактозы в обоих случаях превышала 96%. Выход молочной кислоты по отношению к лактозе также был высоким (86—95%). Ультрафильтрация позволила удалить из сыворотки азотные соединения с молекулярной массой свыше 50.000 дальтонов. В свою очередь, термическая очистка привела к устранению остатков казеина и части сывороточных белков. Общее содержание оставшихся в сыворотке азотных соединений при очистке термическим методом было несколько большим, однако, разница была незначительной. Содержание небелкового азота в сыво-
10,150 8,130 80,10 1797 162
8,552 7,924 92,67 881 . 79
7,427 7,000 94,25 1815 113
7,015 6,289 89,65 825 75
16,033 8,963 55,90 872 79
15,139 13,168 86,98 1518 137
Таблица 2
Сычужная сыворотка, очищенная от белков методами
1 Jd i ели термическим (pH =4,9, 1 t 95° С) ул ьтрафильтра-ции
Продолжительность сбра-
живания, ч 14 18
Содержание лактозы, %:
перед сбраживанием 5,57 5,60
после сбраживания 0,05 0,22
Степень сбраживания лак-
тозы, % 99,10 96,07
Содержание молочной кис-
лоты, % 4,78 5,14
Выход молочной кислоты
по отношению к сбра-
живаемой лактозе, % 86,52 95,48
Прирост сухой массы,
г/дм3 2,26 2,28
С:Ы 16 19
Азот, %
общий 0,148 0,121
небелковый 0,087 0,048
небелковый к общему 58,78 39,67
аминокислот 0,015 0,013
аминокислот к общему 10,14 10,74
ротке, очищенной методом ультрафильтрации, было примерно на 20% ниже, а уровень аминокислотного азота в обоих случаях был почти одинаковым.
Следует отметить, что хотя исследованные методы удаления белков не оказали существенного влияния на химический состав сбраживаемой сыворотки, тем не менее выход молочной кислоты был более высоким при очистке ультрафильтрацией. Можно предположить, что способ освобождения сыворотки от белков обусловливает качество остающихся в ней азотных соединений и тем самым влияет на эффективность молочно-кислого сбраживания.
Во второй части опыта исследовали возможность применения катионита Wofalit KPS для извлечения молочной кислоты из растворов лактата аммония, полученных в результате сбраживания. При выборе катионита подобного типа учитывали проведенные ранее
иссл
ЛОЧ1
И0Н(
Сс
опр«
ния
дин;
опьг
ЄМК(
лени
элю:
К:
Ь ПТ]
ЙМ V|||
І
U-LU .1
І І.иї С !• К Г ГОГ о, Д ЗІ] ІіСі.ї: ДЙШ ї Yl *L [WCS Щ-/hi
■ ш
не (' vi ■: і npllh.i
кяя
щ
пбъет
И Н.:л1
Г- П-і;Д.І ИОНШ ИОНПІ
■.юти:
кеіЦ
Eh'u f З
ju;)01
AAC'i lLI к>_І
іш па Ка іsa и.ис: н :мі не
у я [: н;
*:і
ПрІ
7.1СІН vi
і ясггн ч п HAS ijru п ILDKiH к «"і і ■ l: h, i>
\ца I
лица 2
нцен-
1И
льтра-
0
2
7 4
8 8
21
48
17
113
’4
эации, э ами-почти
знные /щест-сбра-од мо-очист-ожить, белков в ней чет на [вания. и воз-t KPS эаство-!ульта-та поранее
исследования по технологии производства молочной кислоты из сыворотки с помощью ионообменников [6].
Согласно [15], главными свойствами ионита, определяющими его пригодность для проведения ионного обмена, являются статическая и динамическая обменные емкости. В настоящем опыте определяли динамическую обменную емкость до предельного момента, т. е. до появления первой порции сорбированного иона в элюате.
Как указывалось в методике, используемые в процессе ионного обмена растворы лактата аммония различались по способу депротеини-зации сбраживаемой сыворотки, а также по способу удаления биомассы молочно-кислых бактерий (варианты I—IV, табл. 1). Кроме того, исследовали влияние сгущения опытного и контрольного растворов на эффективность ионного обмена (варианты V и VI, табл. 1). Из данных табл. 1 следует, что рабочая обменная емкость катионита при пропускании очередных растворов значительно различалась. Наивысшую обменную емкость, достигающую около 1800 м-экв/дм3, отметили в вариантах I и III, где сыворотку очищали от белков термическим методом. В вариантах II и IV, где для очистки применяли ультрафильтрацию, рабочая обменная емкость составляла соответственно 881 и 825 м-экв/дм3. Снижение обменной емкости объясняется, вероятно, тем, что ионы кальция и коллоидные соединения, содержащиеся в исследованных растворах, могли блокировать ионообменники. Многократное использование ионообменника для извлечения молочной кислоты могло также привести к кумуляции ионов кальция и коллоидов внутри смолы, что, в свою очередь, повлияло бы отрицательно на диффузию ионов аммония во время обмена. Это подтверждается исследованиями [16].
В отличие от способа депротеинизации сыворотки, способ удаления биомассы молочнокислых бактерий не оказал существенного влияния ни на обменную емкость катионита, ни на эффективность ионного обмена (табл. 1).
Как видно из таблицы, рабочая обменная емкость не коррелировала с эффективностью ионного обмена, которая во всех случаях, за исключением варианта Y, превышала 80%. В варианте V — опытный раствор, сгущенный до 9,5% — она была самой низкой и достигала всего лишь 56%.
Предполагалось, что сгущение лактата аммония приведет к уменьшению количества раствора, пропускаемого через колонку, и, не влияя на условия ионного обмена, сократит его продолжительность. Однако, исследования показали, что повышение концентрации опытного раствора лактата аммония не увеличивало количества ионов аммония, сорбирован-
ных катионитом. Количество ионов аммония, задержанных катионитом в варианте V, было близким вариантам I—IV (табл. 1). Объясняется это, вероятно, тем, что коллоидальные загрязнения (главным образом, белки), остающиеся в растворе как после центрифугирования, так и ультрафильтрации, блокируют поверхность зерен катионита. Об этом сообщается и в работе [17]. Правильность подобного предположения подтверждается результатами, полученными в контрольном варианте VI, где сгущение до 9% химически чистого лактата аммония значительно повысило эффективность ионного обмена, а также рабочую обменную емкость катионита.
Возможная очистка предварительно сгущенного раствора лактата аммония, например, методом ультрафильтрации с применением высокоселективных мембран, привела бы, однако, к дополнительным расходам и одновременно продолжила процесс извлечения молочной кислоты. Учитывая затраты энергии на сгущение и очистку, а также тот факт, что сгущение не ускоряет ионного обмена и не облегчает регенерации катионита, следует признать использование сгущенных растворов лактата аммония экономически необоснованным.
ВЫВОДЫ
Применение двух методов освобождения сычужной сыворотки от белков — термической обработки и ультрафильтрации — не привело к значимым различиям в химическом составе очищенной сыворотки, в также в эффективности молочно-кислого сбраживания. Влияние способа депротеинизации сыворотки проявилось, однако, при последующем извлечении молочной кислоты с помощью ионообменника Wofatit KPS. Рабочая обменная емкость катионита при пропускании через колонку раствора лактата аммония, полученного в результате сбраживания сыворотки, очищенной от белков термическим методом, была в два раза выше, чем при очистке методом ультрафильтрации.
Способ удаления биомассы бактерий из раствора лактата аммония не повлиял существенно ни на обменную емкость катионита, ни на эффективность ионного обмена.
Двукратное сгущение опытного раствора лактата аммония не увеличило количества сорбированных ионов и значительно понизило эффективность ионного обмена. Учитывая дополнительные затраты энергии, следует признать этот прием экономически необоснованным.
Авторы хотели бы поблагодарить д-ра Татьяну Межвиньскую за критические замечания и ценные предложения при подготовке работы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Czerwinski S., W. 1 m b s, 1974. Wykorzystanie serwatki w przemysle mleczarskim. CRS. Warszawa.
2. U г b a li s к i Z., 1974. Nowe kierunki przetwarzania
serwatki. Przegl. Mlecz., 5:10—12.
3. Jakubowska J., 1975, Serwatka jako surowiec do otrzymywania bialka raszowego oraz spozywczego. Przem. Spoz., 8—9:328—332.
4. Roznanski S., K. Kornacki, Z. Smietana, J. Rymaszewski, A. Surazynski, W. Choj-n о w s k, 1974, Techniczno-technologiczne aspekty pro-dukcji kwasu mlekowego w skali przemystowej przy uzyciu wymietiaczy jonowych. Przem. Spoz., 2:52—54.
5. R о z n a ns к i S., J. R ym a s z e w s к i, E. W о d e с к i, A. Surazynski, M. Kujawski, 1980, Koncercja technologiczno-techniczna doswiadczalno-przemystowej instalacji kwasu mlekowego z serwatki, Doum. IMS Warszawa. Olsztyn.
6. Rymaszewski J., S. Pozn a li ski, M. Ku j a w-ski, K. Kornacki, W. Chojnowski, L. Jed-rychowski, G. Pszczotkawska, 1976, Techno-logia i technika produkcji kwasu mlekowego z serwatki przy izyciu wymieniaczy jonowych. Dokum. IRMI. Warszawa. Olsztyn.
7. Surazynski A., W. Chojnowski, S. Poznan-s к i, C. J о n i e c, 1975, Intensyfikacja t'ermentacji mle-kowej na podtozu z serwatki. Zesz. Nauk. ART Olszt., [137], Techn, Zywn. 4:87—98.
8. Budstawski J., 1967, Metody analizy zywnosci.
PWRiL. Warszawa.
•9. Kornacki K., 1976, Otrzymywanie, charakterystyka
i zastosowanie suszonych koncentratow biomasy bakterii fermentacji mlekowej. Zesz. Nauk. ART Olszt. [155], Techn. Zywn., 9:3—53.
10. S c h o b e r R., W. N i c 1 a u s, W. C h r i s t, 1961, An-wendung der «Finger — Abdruck — Mthode» durch die Kennzeichnung von Kasesorten durch ihre proteoly-tischen Inhaltsstoffe. Milchwiss., [16], 3:140—148.
11. Stadhouders J., 1960, The hydrolysis of protein
durind the ripening of dutch cheese. The enzymes and bacteria involved. Netherl. Milk Dairy J., 14:83—89.
12. Wofatit, 1974, Syntetyczne wymieniacze jonowe. VEB
Chemiekombinat Bitterfeld. DDR.
13. Trochimczuk W., L. B i e 1 e c k i, 1976, Wymieniacze jonowe. Biuro Wydawnicze «Chemia». Warszawa.
14. Witekowa S., T. Witek, 1970, Syiczenia z analizy jakosciowe i ilosciowej. RWN. Warszawa.
15. C z m u t o w K. W., 1962, Wymiana jonowa i jej zastosowanie. RWN. Warszawa.
16. Z a 1 r s k a H., S. Z a g r o d z k i, D. Sucharzewska,
K. Lisik, 1980, Decrease of sugar losses as a result of
thin juice deionization in an alkaline medium. Ac. Alim. Pol., [6(30)], 1—2:3—12.
17. Bogoczek R., 1980, Badania nad rozdziatem me-lasu cukrowego na grupy sktadnikow za pomosa pro-cesow ohitowych. Prae'Nauk. Akad. Ekonom. Wroctow, [189], Technol., 167:155—173.
Поступила 30.10.89.
637.344:663.42
СНИЖЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ МЕТОДОМ ИОНООБМЕНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЕЕ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА
Г. И. КОСМИНСКИЙ Могилевский технологический институт
Исследования, проведенные в лаборатории биохимии пивного сусла и в лаборатории безалкогольных напитков НПО пивобезалкогольной промышленности, показали возможность использования гидролизованной молочной сыворотки при производстве пива и безалкогольных напитков [1].
Применение молочной сыворотки для производства пива в качестве частичного заменителя солода позволяет экономить дорогостоящий солод и сократить использование зерна [2].
По данным [2], кислотность молочной (творожной) сыворотки колеблется в пределах 4,5—7,0 см3 1 н. раствора ЫаОН на 100 см3 сыворотки и обусловлена наличием в ней кислых солей и белков, обладающих кислыми свойствами. Кроме того, при хранении молочной сыворотки кислотность ее возрастает за счет развития молочно-кислых бактерий, разлагающих лактозу до молочной кислоты. Применять молочную сыворотку с такой кислотностью для производства пива не представляется возможным, так как это приводит к получению сусла с повышенной кислотностью, а также к закисанию заторов.
Для снижения кислотности молочной сыво-
ротки часто используют известково-содовыи метод, который основан на нейтрализации кислотосодержащих соединений сыворотки путем добавления соды. В то же время повышенное содержание солей отрицательно влияет на карбонизацию пива.
В работе изучена возможность снижения кислотности молочной (творожной) сыворотки физико-химическим ионообменным методом, используемым для умягчения воды и удаления из нее других нежелательных примесей.
Молочная (творожная) сыворотка, полученная с гормолкомбината в октябре — декабре 1989 г., имела титруемую кислотность в пределах 4,3—5,7 см3 1 н. раствора ЫаОН на 100 мл сыворотки, что согласуется с данными [2].
Опытами установлено, что в процессе хранения кислотность молочной сыворотки нарастает, что обусловлено жизнедеятельностью молочно-кислых бактерий. В то же время для исследований желательно было использовать молочную сыворотку, имеющую в течение определенного времени более-менее стабильную величину кислотности. С этой целью сыворотка, поступающая с завода, подвергалась 15 с пастеризации при 72° С.,
j Моло сыво к;
Паст< зов ная -* Henai , риз ван
Ср лотн нени в та!
Ка
сыво
ЧеСК!
Пс
рИ301
ку, к ты ми Сред
CT3BJ
Сухие
Лакто:
pH
Титруе на 1 1 Аминн Минер Жир, i
Дл нача; цельк левск ем ки 100 с торно
НЫМ I
воды: лотно няли 1 н. получ Из
Кисла
ротки,
NaOH
