ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ТВОРОГАВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ «МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ - УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ»
Рубрики: БИОЛОГИЯ
Авторы:
1.
Уральский государственный аграрный университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 44
по 58
Статус:
Опубликован
Получено:
25.06.2018
Одобрено:
25.06.2018
Опубликовано:
25.06.2018
Классификаторы:
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
микрофильтрация, ультрафильтрация, селективность, проницаемость, обезжиренное молоко, творожное калье
Аннотация (русский):
Представленная работа посвящена исследованию баромембранных процессов производства ультрафильтрацион- ного творога в последовательности «микрофильтрация - ультрафильтрация». В результате определены предпочти- тельные технологические параметры баромембранных процессов производства ультрафильтрационного творога с применением мембран отечественного производства. Для процесса микрофильтрационной бактериальной очистки молока скорость потока молока над мембраной u ≥ 4,5 м/с, рабочее давление Р = 0,25 МПа, температура процесса t = 35 ºС, предпочтительная мембрана КМФЭ (0,8). Для процесса ультрафильтрационного концентрирования творож- ного калье скорость потока калье над мембраной u ≥ 3,0 м/с, рабочее давление Р = 0,35 МПа, температура процесса t = 55 ºС, предпочтительная мембрана КУФЭ (0,01). Рассмотрена возможность влияния на характеристики процесса ультрафильтрации активной кислотности раствора. Показано, что посредством приближения к изоэлектрической точке белковой фракции концентрируемого творожного калье можно влиять на проницаемость и селективность процесса ультрафильтрации. Максимальное значение проницаемости для исходного творожного калье (G = 54 дм3/м2ч) наблю- дается в интервале рН 4,7-4,65, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки казеина. Максимальное значение проницаемости для УФ творога (G = 45-44 дм3/м2ч) наблюдается в интервале рН 4,5-4,45, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки сывороточных белков. Подтверждена целе- сообразность предлагаемой схемы проведения баромембранных процессов. Определено, что в обезжиренном молоке после процесса микрофильтрации сохраняются все ценные компоненты. Эффективность микробиологической очистки молока составляет 99,9 %. Увеличивается на 7-10 % проницаемость ультрафильтрационной мембраны. Срок годности ультрафильтрационного творога увеличивается в три раза.
Представленная работа посвящена исследованию баромембранных процессов производства ультрафильтрацион- ного творога в последовательности «микрофильтрация - ультрафильтрация». В результате определены предпочти- тельные технологические параметры баромембранных процессов производства ультрафильтрационного творога с применением мембран отечественного производства. Для процесса микрофильтрационной бактериальной очистки молока скорость потока молока над мембраной u ≥ 4,5 м/с, рабочее давление Р = 0,25 МПа, температура процесса t = 35 ºС, предпочтительная мембрана КМФЭ (0,8). Для процесса ультрафильтрационного концентрирования творож- ного калье скорость потока калье над мембраной u ≥ 3,0 м/с, рабочее давление Р = 0,35 МПа, температура процесса t = 55 ºС, предпочтительная мембрана КУФЭ (0,01). Рассмотрена возможность влияния на характеристики процесса ультрафильтрации активной кислотности раствора. Показано, что посредством приближения к изоэлектрической точке белковой фракции концентрируемого творожного калье можно влиять на проницаемость и селективность процесса ультрафильтрации. Максимальное значение проницаемости для исходного творожного калье (G = 54 дм3/м2ч) наблю- дается в интервале рН 4,7-4,65, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки казеина. Максимальное значение проницаемости для УФ творога (G = 45-44 дм3/м2ч) наблюдается в интервале рН 4,5-4,45, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки сывороточных белков. Подтверждена целе- сообразность предлагаемой схемы проведения баромембранных процессов. Определено, что в обезжиренном молоке после процесса микрофильтрации сохраняются все ценные компоненты. Эффективность микробиологической очистки молока составляет 99,9 %. Увеличивается на 7-10 % проницаемость ультрафильтрационной мембраны. Срок годности ультрафильтрационного творога увеличивается в три раза.
Ключевые слова:
микрофильтрация, ультрафильтрация, селективность, проницаемость, обезжиренное молоко, творожное калье
микрофильтрация, ультрафильтрация, селективность, проницаемость, обезжиренное молоко, творожное калье
Положительная рецензия представлена Г. Б. Пищиковым, доктором технических наук, профессором Уральского государственного экономического университета. Введение Мембранная технология все шире внедряется в пищевую промышленность России, особенно в мо- лочную отрасль [1]. В настоящее время одной из главных задач, стоящих перед технологами молочной промышленности, является разработка продуктов с повышенной пищевой и биологической ценностью, в полной мере обеспечивающих рацион потребителя полноценными белками [2-4]. К таким продуктам от- носится творожный сыр, или, как принято его назы- вать - ультрафильтрационный (УФ) творог, в основе получения которого используется баромембранная технология [5-7]. Эта технология позволяет сохра- нить в получаемом продукте сывороточные белки, а также примерно в два раза увеличить выход творо- га [5] по сравнению с «традиционной» технологией. Известно, что продукты, содержащие в достаточно большом количестве сывороточные белки, имеют короткий срок хранения [2], поэтому снижение коли- чества микрофлоры в исходном сырье - важный этап переработки молока, повышающий безопасность ко- нечного продукта и срок его годности. Как показыва- ет анализ литературы, целесообразно применить для этой цели процесс микрофильтрации (МФ), что по- зволит существенно увеличить срок годности молоч- ных продуктов, а также сохранить разрушающиеся при высокотемпературной обработке ценные компо- ненты молока [8, 9]. Основываясь на положении, что аминокислоты и, соответственно, белки являются по своей природе амфотерными молекулами, так как со- держат и кислотные, и щелочные функциональные группы, можно предположить, что существует вза- имосвязь между основными характеристиками про- цесса УФ и активной кислотностью разделяемого творожного калье. В связи с этим представляет значительный инте- рес решение задачи, направленной на исследование баромембранных процессов производства УФ творо- га, а именно: МФ фракционирования обезжиренного молока и УФ концентрирования творожного калье, целесообразности применения схемы «МФ - УФ», возможности влияния на процесс УФ посредством приближения к изоэлектрической точке белковой фракции концентрируемого калье и разработке на этой основе рекомендаций по внедрению в произ- водство технологии, использующей мембраны от- ечественного производства. Экспериментальная часть Лабораторная установка Исследования проведены в лабораторных ус- ловиях на установке (рис. 1). МФ и УФ мембран- ные ячейки (поз. 1) предназначены для разделения исследуемого раствора. Насос (поз. 2), типа ОНЦ 1,5/20К - 0,75/2 с частотным преобразователем типа FRENIC-Eco F1S предназначен для подачи исследуемого раствора в мембранную ячейку и создания дав- ления в установке. Питающий бак (поз. 3) объемом 15 дм3 предназначен для подачи исходного раство- ра и последующей его циркуляции в контуре «пи- тающий бак - насос - мембранная ячейка». Бак для пермеата (поз. 4), представляющий собой мерную стеклянную колбу, служит для определения расхода пермеата в установке. Манометр (поз. 5) типа М0-5 предназначен для контроля давления в установке. Ротаметр (поз. 6) типа РС-5 служит для определения расхода раствора в установке. Вентиль регулировоч- ный (поз. 7) типа РУ-160 предназначен для регули- рования давления в установке, змеевик (поз. 8) - для регулирования температуры исследуемого раствора, термопара (поз. 9) типа хромель-алюмель - для кон- троля температурного режима процесса МФ или УФ. Милливольтметр (поз. 10) типа Ф-4214 служит для контроля э.д.с, наводимой термопарой; сосуд Дью- ара (поз. 11), представляющий собой герметичную емкость из пенопласта с помещенным в нее льдом, - для исключения влияния температуры окружающей среды при измерении температуры процесса разде- ления. Разделитель (поз. 12) (металлическая мем- брана) предназначен для предотвращения попадания раствора в рабочие элементы манометра. Вентили (поз. 13, 14) служат для поочередного подключения в схему установки мембранных ячеек. Все металличе- ские детали установки выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Основным элементом лабораторной установки являются мембранные ячейки, способные осущест- влять работу в «тангенциальном» режиме. В верхней (на рис. 1) ячейке, представляющей собой плоскока- мерный аппарат с диаметром крышек 350 мм, уста- навливается листовая полимерная мембрана диаме- тром 300 мм. Площадь мембраны в ячейке состав- ляет 7,0×10-2м2. В нижней ячейке, представляющей собой цилиндрический аппарат диаметром 40 мм, длиной 890 мм устанавливается трубчатый керами- ческий мембранный элемент длиной 800 мм. Пло- щадь мембраны в ячейке составляет 1,5×10-2м2. Мембраны В экспериментах использовались следующие типы МФ и УФ мембран: листовые полисульфона- мидные - УПМ-20; УПМ-50М, ацетатцеллюлюз- ные - МФАС-ОС-(1-4); УАМ-50П; УАМ-100П, производства ЗАО НТЦ «Владипор» г. Владимир, а так- же керамические мембраны серии КМФЭ и КУФЭ на основе диоксида титана (анатазной модификации), с нанесенным селективным слоем α оксида алюми- ния или титана, производства ООО НПО «Керамик- фильтр», Москва. МФ мембраны характеризуются средним диаметром пор от 0,4 до 1,8 мкм, УФ мем- браны характеризуются «отсечками» по молекуляр- ной массе 10; 30; 50; 100; 150 кДа. 8 3 2 mV 10 11 7 6 5 12 9 13 1 14 4 Рис. 1. Схема лабораторной установки для исследования процессов МФ и УФ. 1 - мембранная ячейка, 2 - насос, 3 - питающий бак, 4 - бак для пермеата, 5 - манометр, 6 - ротаметр, 7 - вентиль регулировочный, 8 - змеевик, 9 -термопара, 10 - милливольтметр, 11 - сосуд Дьюара, 12 - разделитель, 13, 14 - вентили Fig. 1. The scheme of laboratory installation for research of processes of MF and UF. 1 - the laboratory unit membrane, 2 - pump, 3 - feed tank, 4 - permeate tank, 5 - pressure gauge, 6 - rotameter, 7 - control valve, 8 - coil, 9 - thermocouple, 10 - millivoltmeter, 11 - Dewar vessel, 12 - separator, 13, 14 - valves Растворы В качестве объектов исследования использовали обезжиренное молоко, соответствующее ГОСТ Р 53503-2009, и творожное калье, приготовленное «сы- чужным» способом из обработанного обезжиренного молока. Обработка молока заключалась в его микро- биологической очистке методом МФ разделения или термическим методом. Термический метод заклю- чался в нагреве исходного молока на электрической плитке до температуры 82 ± 3 ºС, выдержке при этой температуре 20-30 с и охлаждении до температуры эксперимента. Готовность творожного калье опреде- ляли по его кислотности, которая должна составлять 75-80 ºТ (рН 4,2-5,6). Творожное калье разной кон- центрации получали путем УФ концентрирования отдельной партии калье с последующим охлаждени- ем концентрата до 4 ± 2 ºС. Методы анализа растворов Отбор проб и подготовку их к анализу проводи- ли по ГОСТ 9225, ГОСТ 26809, ГОСТ 26929. Физико-химические показатели определяли по стандарт- ным методикам [10]: массовую доли влаги по ГОСТ 30305.14; массовую долю казеина, а также общее со- держание белка по ГОСТ 25179 рефрактометром и методом формального титрования, в качестве арби- тражного использовали метод Къельдаля; массовую долю жира кислотным методом Гербера по ГОСТ 5867; массовую долю лактозы методом Лоренса; титруемую кислотность по ГОСТ 3624; общую и ак- тивную кислотность потенциометрическим методом по ГОСТ 15113.5. Количество мезофильных аэроб- ных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) определяли по ГОСТ Р 53430-2009. Методика проведения экспериментов Поскольку объектами исследования являются пи- щевые среды, время проведения каждого экспери- мента было ограничено интервалом не более 40-50 мин. Это позволило получать результаты, при кото- рых органолептические и физико-химические пока- затели образцов сохраняют нормативные значения. После каждого эксперимента лабораторная уста- новка подвергалась санитарной обработке, при этом соблюдались условия регенерации мембран в соот- ветствии с рекомендациями их производителей. При снижении проницаемости исследуемой мембраны на величину, превышающую 5 %, по сравнению с на- чалом эксперимента ее заменяли на новую. Так как рабочее давление процессов МФ и УФ невысокое, предварительная подготовка мембран, связанная с их уплотнением от действия давления, на наш взгляд, не требуется. Расчетные уравнения и обработка результатов экспериментов Проницаемость мембран и их селективность рас- считывали по классическим уравнениям [11], ис- пользуя полученные экспериментальные значения. Рис. 2. Зависимость проницаемости МФ мембран от скорости течения обезжиренного молока над мембраной при Р = 0,25 МПа; t = 35 ºС; С = 8,5 % СВ Fig. 2. Dependence of permeability of MF membranes on the flow rate of skimmed milk over the membrane at P = 0.25 MPa; t = 35 °C, C = 8.5 % SV Для определения каждого исследуемого параметра проводилось не менее трех экспериментов. Резуль- таты экспериментов обрабатывались с помощью методов математической статистики, корреляцион- ного и регрессивного анализов при доверительной вероятности 95 (уровень значимости 0,05). Функци- ональную зависимость полученных в экспериментах данных от исследуемых параметров определяли ме- тодом наименьших квадратов. Результаты и их обсуждение Основной целью исследования явилось определе- ниетехнологическихпараметровитипамембран, наи- более полно отвечающих поставленной выше задаче. Процессы МФ и УФ проводят, как правило, при высоких скоростях разделяемой среды над поверхностью мембраны, что обусловлено низкой скоро- стью диффузии растворенных веществ с большой молекулярной массой (более 500) и, как следствие, сильным влиянием концентрационной поляризации [11]. Эти положения полностью подтвердились в экс- периментах с обезжиренным молоком и творожным калье. Как видно из зависимости G(u) (рис. 2, 3), проницаемость мембран увеличивается с повыше- нием скорости течения продукта над мембраной, что можно объяснить уменьшением толщины надмем- бранного слоя у поверхности мембраны, в котором происходит изменение концентрации. Зависимость G(u) показывает (рис. 2), что прони- цаемость МФ мембран становится постоянной при достижении скорости течения молока над мембраной Рис. 3. Зависимость проницаемости УФ мембран от скорости течения творожного калье над мембраной при Р = 0,3 МПа; t = 55 ºС; С = 12 % СВ Fig. 3. Dependence of the permeability of UF membranes on the flow rate of curd over the membrane at P = 0.3 MPa; t = 55 ºC; C = 12 % SV u ≥ 3,0 м/с (МФАС-ОС-1, 2) и u ≥ 4,0 м/с для мембран с большей производительностью (МФАС-ОС-3, 4). Керамические мембраны КМФЭ (0,8; 1,2) с ростом u увеличивают производительность постоянно, однако при значениях u ≥ 3,5 м/с зависимость становится заметно положе. Отсюда можно утверждать, что для МФ мембран необходимо поддерживать скорость над поверхностью мембраны u ≥ 4,0 м/с, это соответ- ствует числам Рейнольдса, при течении в трубчатом канале КМФЭ Re ≥ 11400, при течении в плоском ка- нале Re ≥ 12000. Эксперименты показали, что проницаемость УФ мембран при разделении творожного калье очень су- щественно зависит от продольной скорости u. Дело в том, что при невысоких скоростях (u ≤ 0,5 м/с) локальная концентрация часто достигает такого предела, что на поверхности мембраны образуется гелеобразный слой, который значительно снижает проницаемость: G ≤ 5 дм3/м2ч. Причем чем выше производительность мембраны, тем больше должно быть значение u для преодоления процесса гелео- бразования. Зависимость G(u) показывает (рис. 3), что проницаемость большинства УФ мембран ста- новится постоянной при скорости течения калье над мембраной u ≥ 2,5 м/с, что соответствует числам Рей- нольдса, при течении в трубчатом канале КУФЭ Re ≥ 4450, при течении в плоском канале Re ≥ 5000. Отсюда, на наш взгляд, можно сделать вывод, что для исключения значительного влияния концентра- ционной поляризации на процессы МФ и УФ можно на основании изложенного рекомендовать поддер- живать скорость течения продукта над мембраной в пределах u = 4,5 м/с для процесса МФ и u = 3,0 м/с для процесса УФ. Исходя из этого последующие экс- Рис. 4. Зависимость проницаемости МФ мембран при разделении обезжиренного молока от давления при u = 4,5 м/с; t = 35 ºС; С = 8,5 % СВ Fig. 4. The dependence of the permeability of MF membranes in the separation of skim milk from the pressure, at u = 4.5 m/s; t = 35 ºC; C = 8,5 % SV перименты проводились именно при таких продоль- ных скоростях. Исследование влияния рабочего давления на ха- рактеристики мембран приведено на рис. 4-7. За- висимость G(P) показывает, что самой большой проницаемостью среди исследуемых МФ мембран обладают мембраны серии КМФЭ (рис. 4), среди ис- следуемых УФ мембран - мембраны серии КУФЭ (рис. 5). Причем проницаемость с увеличением давления у этих мембран постоянно растет практи- чески во всем диапазоне изменения рабочего давле- ния. Это, по-видимому, можно объяснить жесткой структурой данных мембран, не изменяющейся с увеличением рабочего давления. У большинства МФ мембран, обладающих менее жесткой структурой (МФАС-ОС), наблюдаются горизонтальные участки G(P) (при Р ≥ 0,3 МПа). УФ мембраны (УАМ и УПМ) более чувствительны к влиянию давления. При Р ≥ 0,4 МПа у этих мембран происходит некоторое сни- жение проницаемости. Особенно заметно это сниже- ние проявляется у мембран с более высоким значе- нием проницаемости (УПМ-50М, УАМ-50П). Как показала зависимость φ(Р), селективность мембран имеет свойство изменяться с увеличением давления. Для МФ мембран (рис. 6) наиболее ярко эти изменения выражены в области Р = 0,2-0,3 МПа. Наибольшую селективность (среди мембран МФАС- ОС) имеют мембраны с меньшей проницаемостью, они же более чувствительны к изменению рабочего давления. Следует отметить мембрану КМФЭ (0,8), у которой селективность слабо зависит от давления и достигает значения φ = 0,998. Рис. 5. Зависимость проницаемости УФ мембран от давления (творожное калье) при u = 3,0 м/с; t = 55 ºС; С = 12 % СВ Fig. 5. The dependence of the permeability of UF membranes pressure (cheese necklace), at u = 3.0 m / s; t = 55 ºC; C = 12 % CB Рис. 6. Зависимость селективности по микрофлоре МФ мембран при разделении обезжиренного молока от давления при u = 4,5 м/с; t = 35 ºС; С = 8,5 % СВ Fig. 6. Dependence of selectivity on microflora of MF membranes in the separation of skimmed milk from the pressure at u = 4,5 m / s; t = 35 ºC; C = 8,5 % SV Рис. 7. Зависимость селективности УФ мембран по белкам от давления (творожное калье) при u = 3,0 м/с; t = 55 ºС; С = 12 % СВ Fig. 7. Dependence of the selectivity of UF membranes on protein pressure (curd), at u = 3.0 m / s; t = 55 ºC; C = 12 % SV Рис. 8. Зависимость проницаемости МФ мембран от температуры (обезжиренное молоко) при u = 4,5 м/с; Р = 0,25 МПа; С = 8,5 % СВ Fig. 8. Dependence of permeability of MF membranes on temperature (skimmed milk), at u = 4.5 m / s; P = 0.25 MPa; C = 8.5 % SV Для УФ мембран (рис. 7) эти изменения выраже- ны в области рабочего давления Р = 0,25-0,4 МПа. Как и в случае с МФ мембранами, большую селек- тивность среди полимерных мембран имеют мем- браны с меньшей проницаемостью, они же более чувствительны к изменению рабочего давления. Ке- рамическая мембрана КУФЭ (0,01) может считаться предпочтительной, так как селективность у нее мало зависит от давления и достигает достаточно высоких значений φ = 0,985-0,987. Свойство МФ и УФ мембран изменять селек- тивность с увеличением давления связана, на наш взгляд, с диффузией бактерий (МФ) и белков (УФ) через мембрану, при малых значениях Р, и менее жесткой структурой полимерных мембран, при вы- соких значениях Р. Таким образом, анализ зависимостей G(Р) и φ(Р) (рис. 4-7) показывает, что для процесса МФ лучши- ми характеристиками обладают мембраны МФАС- ОС-1 (обеспечивает необходимую селективность) и КМФЭ (0,8). Для процесса УФ это мембраны УПМ- 50М и КУФЭ (0,01). Исходя из этого последующие исследования проводились только с этими типами мембран. Рабочее давление процессов необходимо поддерживать в диапазоне 0,25-0,3 МПа для МФ и 0,3-0,35 МПа для УФ. С учетом известных фактов [11-15], что повыше- ние температуры раствора приводит к увеличению производительности процессов МФ и УФ, нами были проведены эксперименты по определению зависи- мости проницаемости и селективности мембран от температуры (рис. 8-11). Исследования проводились в следующем интервале температур: t = 10-40 ºС (МФ), при которых исследуемое обезжиренное мо- локо не изменяет своих физико-химических свойств [16, 17], и t = 35-75 ºС (УФ), по рекомендации [6]. Эксперименты показали, что проницаемость МФ мембран повышается с увеличением температуры (рис. 8), причем у керамической мембраны этот фак- тор проявляется наиболее ярко. Зависимость G(t) для УФ мембран (рис. 9) имеет тот же характер, однако повышение проницаемости ограничивается опреде- Рис. 9. Зависимость проницаемости УФ мембран от температуры (творожное калье) при u = 3,0 м/с; Р = 0,35 МПа. 1 - С = 17 % СВ; 2 - С = 15 % СВ; 3 - С = 20 % СВ; 4 - С = 12 % СВ Fig. 9. Dependence of permeability of UF membranes on temperature (curd), at u = 3.0 m / s; P = 0.35 MPa. 1 - С = 17 % SV; 2 - С = 15 % SV; 3 - С = 20 % SV; 4 - С = 12 % SV ленным интервалом температур, который зависит как от типа мембраны, так и от концентрации иссле- дуемого калье. Это можно объяснить, на наш взгляд, соотношением двух факторов, влияющих на процесс УФ: во-первых, повышением коэффициента диффу- зии, а во-вторых, увеличением скорости фильтрации калье. Увеличение температуры приводит к сниже- нию вязкости калье и повышению в связи с этим коэффициента диффузии высокомолекулярных ве- ществ в надмембранном слое. Этот положительный фактор приводит к уменьшению влияния концентра- ционной поляризации на процесс и, как следствие, повышению проницаемости мембран. Однако уве- личение температуры выше 50 ºС приводит к тому, что за счет снижения вязкости скорость фильтрации начинает преобладать над диффузией. Этот фактор приводит к увеличению влияния концентрационной поляризации и, соответственно, спаду роста прони- цаемости мембран при повышении температуры. Более заметно этот спад проявляется у мембран с боль- шей проницаемостью (мембрана КУФЭ). Влияние концентрационной поляризации приводит к тому, что при увеличении температуры выше 50-55 ºС проницаемость мембран уже не повышается и оста- ется практически постоянной. Исследования влияния температуры на селектив- ность показали, что при увеличении температуры молока выше 35 ºС селективность МФ мембран по- нижается (рис. 10). Снижение селективности, по- видимому, можно объяснить частичным уносом бак- терий при повышенных скоростях фильтрации вме- сте с основным потоком в поры мембраны, так как известно, что бактерии могут изменять свою форму под действием внешней среды [18]. Влияние температуры на селективность УФ мем- бран (рис. 11) проявляется при увеличении темпера- туры калье выше 57 ºС. Кроме того, существенное влияние на зависимость φ(t) оказывает концентрация Рис. 10. Зависимость селективности МФ мембран от температуры (обезжиренное молоко) при u = 4,5 м/с; Р = 0,25 МПа; С = 8,5 % СВ Fig. 10. Dependence of the selectivity of MF membranes on temperature (skimmed milk), at u = 4.5 m / s; P = 0.25 MPa; C = 8.5 % SV белковой фазы в калье: чем выше концентрация, тем заметнее спад селективности мембран с ростом тем- пературы. На наш взгляд, этот эффект можно объяс- нить деформацией молекул с большой массой [18] и их проникновением в поры мембраны. Зависимость проницаемости УФ мембраны от ак- тивной кислотности творожного калье и УФ творога показана на рис. 12, 13. Проведенные эксперименты показали возможность влияния активной кислотно- сти концентрируемого раствора на процесс УФ по- средством приближения к изоэлектрической точке основной части белковой фракции. Максимальное значение проницаемости для исходного творожно- го калье (G = 54 дм3/м2ч) наблюдается в интервале рН 4,7-4,65, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки казеина. Мак- симальное значение проницаемости для УФ тво- рога (G = 45-44 дм3/м2ч) наблюдается в интервале рН 4,5-4,45, что соответствует значению активной кислотности изоэлектрической точки сывороточных белков. Селективность УФ мембраны от активной кислотности творожного калье, как показали экспе- рименты, не зависит и имеет постоянные значения φ = 0,985-0,987. С целью подтверждения целесообразности пред- лагаемой схемы производства УФ творога «МФ - УФ» проведен ряд экспериментов. Было определено, что в обезжиренном молоке после процесса МФ (МФ мо- локе) сохраняются все ценные компоненты (табл. 1). Количество пермеата составило 92-96 %. Эффек- тивность микробиологической очистки молока составляет 99,9 % (табл. 2). Исследование процесса УФ концентрирования творожного калье, полученного из МФ молока и из молока после термической обработки (МТ молоко), показывает (табл. 3), что проницаемость УФ мембра- ны в экспериментах с творожным калье, полученным из МФ молока, выше, чем с калье, полученным из МТ молока, примерно на 7-10 %. Причем чем больше концентрация калье, тем за- метнее становится разность в проницаемости. Этот эффект достигается, на наш взгляд, тем, что бакте- Рис. 11. Зависимость селективности УФ мембран от температуры (творожное калье) при u = 3,0 м/с; Р = 0,35 МПа. 1 - С = 17 % СВ; 2 - С = 15 % СВ; 3 - С = 20 % СВ; 4 - С = 12 % СВ Fig. 11. Dependence of UF membrane selectivity on temperature (curd), at u = 3.0 m / s; P = 0.35 MPa. 1 - С = 17 % SV; 2 - С = 15 % SV; 3 - С = 20 % SV; 4 - С = 12 % SV Рис. 12. Зависимость проницаемости УФ мембран от активной кислотности творожного калье при u = 3,0 м/с; Р = 0,35 МПа, t = 55 ºС; С = 12 % СВ, мембрана КУФЭ (0,01) Fig. 12. The dependence of the permeability of UF membranes from the active acidity of the curd Calle, at u = 3.0 m / s; P = 0.35 MPa, t = 55 ºC; C = 12 % SV, membrane KUFE (0.01) Рис. 13. Зависимость проницаемости УФ мембраны от активной кислотности УФ творога при u = 3,0 м/с; Р = 0,35 МПа, t = 55 ºС; С = 15,0 % СВ, мембрана КУФЭ (0,01) Fig. 13. The dependence of the permeability of UF membranes from UF active acidity of cheese, at u = 3.0 m / s; P = 0.35 MPa, t = 55 ºC; C = 15.0 % SV, membrane KUFE (0.01) Таблица 1 Физико-химические показатели обезжиренного и МФ молока (средние значения) Table 1 Physico-chemical parameters of skimmed milk and MF milk (mean values) Параметры Characteristic Обезжиренное молоко Skim milk Пермеат (МФ молоко) Permeate (MF milk) Концентрат Concentrate Белок общий, % (масс.) Protein total, % (mass.) 3,05 3,01 3,81 Лактоза, % (масс.) Lactose, % (mass.) 4,65 4,55 6,55 Жир, % (масс.) Fat, % (mass.) 0,05 0,0 1,00 Минеральные вещества, % (масс.) Minerals, % (mass.) 0,82 0,81 1,01 Сухие вещества, % (масс.) Dry matter, % (mass.) 8,57 8,37 12,37 Водородный показатель, рН Hydrogen index, pH 7,15 7,10 6,85 Кислотность, ºТ Acidity, ºT 17 16,75 17,85 Таблица 2 Микробиологическая обсемененность обезжиренного и МФ молока (средние значения) Table 2 Microbiological contamination of skimmed milk and MF milk (average values) Параметры Characteristic Обезжиренное молоко Skim milk Пермеат (МФ молоко) Permeate (MF milk) Концентрат Concentrate КМАФАнМ, КОЕ/см3 QMAFAnM, CFU/cm3 2,3·105 1,5·102 3,4·106 Эффективность очистки, % Cleaning efficiency, % - 99,9 - рии, остающиеся в МТ молоке, являются дисперс- ной фазой, которая концентрируется в процессе УФ калье и существенно влияет на производительность мембраны. Также проведены микробиологические исследо- вания УФ творога на предмет установления срока его годности в зависимости от вида исходного моло- ка, применяемого для заквашивания калье (табл. 4). Таблица 3 Проницаемость мембраны КУФЭ (0,01) в процессе УФ творожного калье, при u = 3,0 м/с; Р = 0,35 МПа; t = 55 ºС Table 3 Permeability of the membrane KUFE (0.01) in the process of UF curd, at u = 3.0 m / s; P = 0.35 MPa; t = 55 ºC С, % СВ С, % SV G, дм3/(м2 ч) G, dм3/(м2 h) Творожное калье (МФ молоко) Cottage cheese Calle (MF milk) Творожное калье (МТ молоко) Cottage cheese Calle (MT milk) 12 55,0 51,1 15 51,0 46,9 17 48,5 44,1 20 43,7 39,3 Таблица 4 Срок годности образцов УФ творога Table 4 Shelf life of UF curd samples Срок хранения образцов, сутки Shelf life of samples, days Показатель КМАФАнМ, КОЕ/см3 Figure QMAFAnM, CFU/cm3 УФ творог (МФ молоко) UV cottage cheese (MF milk) УФ творог (МТ молоко) UV cottage cheese (MT milk) 1 4,0×102 1,1×103 3 5,1×102 1,9×103 5 8,5×102 3,5×103 7 1,0×103 ≥ 5,0×103 9 1,5×103 - 11 2,0×103 - 13 2,5×103 - 15 3,1×103 - 17 3,7×103 - 19 4,4×103 - 21 ≥ 5,0×103 - Образцы творога хранились в одинаковых условиях в холодильной камере при t = 4 ± 2 ºС. Как видно из результатов исследования (табл. 4), срок годности УФ творога, полученного из МФ молока, практиче- ски в три раза превышает срок годности УФ творога, полученного из МТ молока. Критерием годности УФ творога считалось изменение его качественных по- казателей (КМАФАнМ ≥ 5,0×103 КОЕ/см3). Выводы Исследования позволили определить предпо- чтительные технологические параметры баромем- бранных процессов производства УФ творога. Для процесса МФ фракционирования молока скорость потока молока над мембраной u ≥ 4,5 м/с; рабочее давление Р = 0,25 МПа; температура процесса t = 35 ºС, предпочтительная мембрана КМФЭ (0,8). Для процесса УФ концентрирования творожного калье скорость потока калье над мембраной u ≥ 3,0 м/с; ра- бочее давление Р = 0,35 МПа; температура процесса t = 55 ºС, активная кислотность исходного творожно- го калье рН 4,7-4,65, УФ творога рН 4,5-4,45, пред- почтительная мембрана КУФЭ (0,01). Подтверждена целесообразность предлагаемой схемы производства УФ творога «МФ - УФ», которая заключается в по- вышении производительности УФ мембран и увели- чении срока годности получаемого продукта.
1. Харитонов В. Д. Принципы рациональности применения мембранных процессов / В. Д. Харитонов, С. Е. Димитриева, Г. В. Фриденберг, Г. А. Донская и др. // Молочная промышленность. 2013. № 12.
2. Клепкер В. М., Гостищева Е. А. Особенности структурообразования творожных сыров с повышенным содержанием сывороточных белков // Молочная река. 2015. № 2.
3. Тимкин В. А., Горбунова Ю. А., Пищиков Г. Б. Применение отечественных керамических мембран для производства биотворога // Пища. Экология. Качество : труды XIІ Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 19-21 марта 2015 г.) : в 2 т. Новосибирск, 2015.
4. Фильчакова С. А. Аспекты развития промышленной технологии творога // Переработка молока. 2014. № 2.
5. Пищиков Г. Б., Тимкин В. А., Горбунова Ю. А. Разработка баромембранной технологии УФ творога // Аграрный вестник Урала. 2015. № 5.
6. Зябрев А. Ф, Кравцова Т. А. Производство творога с применением ультрафильтрации // Переработка мо- лока. 2013. № 10.
7. Дренов А. Н., Лялин В. А. Производство творога на мембранных установках: качественно и рентабель- но // Молочная промышленность. 2013. № 1.
8. Лялин В. А., Груздев В. Л., Рушель Б., Рушель В. Производство молока длительного хранения методом мембранной стерилизации // Молочная промышленность. 2014. № 3.
9. Финна Й., Лялин В. А. Оборудование для производства питьевого молока длительного хранения без по- тери функциональных и вкусовых свойств // Молочная промышленность. 2014. № 2.
10. Методы исследования молока и молочных продуктов / под общ. ред. А. М. Шалыгиной. М. : Колос, 2013. 368 с.
11. Тимкин В. А., Горбунова Ю. А. Последовательная микро- и ультрафильтрация в процессе производства творога // Мембраны и мембранные технологии. 2017. Т. 7. № 4. С. 284-292.
12. Timkin V. A., Gorbunova Y. A. Sequential micro- and ultrafiltration in the process of production of cottage cheese // Petroleum Chemistry. 2017. Т. 57. № 9. С. 796-803.
13. Тимкин В. А., Лазарев В. А. Применение баромембранных процессов в молочной промышленности // Переработка молока. 2017. № 9. С. 62-65.
14. Тимкин В. А. Баромембранные процессы в молочной промышленности // Аграрный вестник Урала. 2017. № 6. С. 10.
15. Горбунова Ю. А., Тимкин В. А. Гидродинамика процессов микро- и ультрафильтрационного разделения молока и творожного калье // Аграрный вестник Урала. 2016. № 6. С. 13.
16. Храмцов А. Г. Инновации в переработке и использовании молочной сыворотки // Переработка молока. 2014. № 2.
17. Пищиков Г. Б., Тимкин В. А., Горбунова Ю. А. Разработка баромембранной технологии производства УФ биотворога // Аграрный вестник Урала. 2015. № 5. С. 47-49.
18. Современная микробиология. Прокариоты: в 2 т. / под ред. Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. М. : Мир, 2015.
19. Тимкин В. А., Горбунова Ю. А., Лазарев В. А. Применение отечественных керамических мембран // Молочная река. 2015. № 2. С. 56-58.
