Белки из сыворотки можно выделять тепловой денатурацией с изменением реакции среды, комплексонами, адсорбцией на бентонитах, активных углях и смолах, электрофильтрацией, электродиализом, ультрафильтрацией, обработкой в электромагнитном поле.
В настоящее время наиболее изучена и распространена тепловая денатурация с изменением реакции среды. Весьма перспективны способы ультрафильтрации, сорбции-десорбции (см. разд. 2.5.).
Устойчивость глобул белков молочной сыворотки обусловлена конформацией (упаковкой) частиц, зарядом и наличием гидратной оболочки (сольватного слоя). Для выделения белков необходимо нарушить равновесие трех или хотя бы двух указанных факторов устойчивости.
В свежей молочной сыворотке белковые частицы находятся в нативном состоянии. При изменении нативного состояния белка (денатурации) прежде всего нарушается его структура. Белковая глобула в процессе денатурации развертывается, для чего необходимо нарушить 10 – 20 % связей, участвующих в ее образовании. Процесс денатурации сопровождается изменением конфигурации, гидратации и агрегатного состояния частиц. Белковая глобула в результате денатурации становится менее устойчивой.
Для преодоления потенциальных барьеров устойчивости белковых можно применять различные способы денатурации: нагревание; облучение; механическое воздействие; введение сольватирующих веществ, окислителей и детергентов; изменение реакции среды.
При тепловой денатурации температурные коэффициенты реакции достигают значений теплоты активации, при которых разрываются 2 - 3 ковалентные связи или 20 - 40 внутримолекулярных связей, в результате чего нарушается устойчивость белковой частицы. Энергию активации сыворотки Е можно принять условно за 1/2 энергии активации молока, т. е. Е = 114000 кДж/кмоль.
Введение в растворы некоторых веществ способствует тепловой денатурации. Например, при добавлении кислот и щелочей реакция среды доводится до изоэлектрической точки белков, разрушаются солевые связи частиц белка.
В начале денатурации изменяются исходные полипептидные связи. Вызванная различными способами денатурация имеет одну общую закономерность - разрыв минимально необходимого количества внутримолекулярных связей для развертывания глобул. Вероятно, этот процесс связан с электростатическим и гидратационным факторами агрегатной устойчивости белковых глобул.
В конечном счете к выделению белков приводят вторичные явления после денатурации, такие, как ассоциация развернувшихся глобул и химическое изменение их. Здесь на первый план выступает образование межмолекулярных связей и агрегация в противоположность внутримолекулярным процессам, происходящим при денатурации.
В целом процесс выделения белков молочной сыворотки можно охарактеризовать как коагуляцию.
С учетом целесообразности извлечения и использования белков коагуляцию сывороточных белков необходимо закрепить во избежание процесса ренатурации (восстановления нативной структуры белков), а также максимально возможного снижения распада образующихся агрегатов.
В результате тепловой денатурации кроме разрыва водородных связей белковой частицы происходит их дегидратация, что облегчает последующую агрегацию белковых частиц. Введение кислот и щелочей приводит к разрыхлению солевых связей при одновременном смещении диссоциации в сторону изоэлектрической точки и нейтрализации поверхностных зарядов белковой частицы. Ионы-коагулянты (кальций, цинк и др.), активно сорбируясь на поверхности белковой частицы, обеспечивают коагуляцию, а при значительных дозах – высаливание белков.
Коагуляция белков подсырной сыворотки. Изменение агрегатного состояния белков в процессе нагревания подсырной сыворотки показано на рис.2.5.
Рисунок 2.5.
Рисунок 2.5. – Кривые, характеризующие изменение мутности подсырной (1) и творожной (2) сыворотки при нагревании
В начале нагревания в результате увеличения скорости частиц происходит некоторая дезагрегация ассоциатов белка и мутность сыворотки увеличивается. Затем, начиная примерно с 50 ˚С, наряду с дезагрегацией происходит агломерация глобул белка, обусловленная их денатурацией, и мутность сыворотки резко уменьшается. Денатурированные белки, потеряв устойчивость при 75-80 °С, образуют хлопья, которые медленно оседают.
Процесс выделения белков в общем виде можно записать следующим образом:
| Н |  
| А | 
| Д |
| Нативное состояние | Активное состояние | Денатурированное состояние |
В подсырной сыворотке при температуре денатурации термолабильных фракций (90 °С) в результате нарушения агрегативной устойчивости глобул белка происходит их частичное (20—25%) выделение (табл.2.1.).
Таблица 2.1.
| Подсырная сыворотка | Кислотность | Содержание белка, % | Выделение белка, % | Мутность, усл.ед. | |
| титруемая, °Т | активная (рН) | ||||
| Исходное состояние | 12 | 6,20 | 0,68 | - | 0,158 |
| После нагревания до 90°С (фильтрат) | 11,8 | 6,25 | 0,485 | 23 | 0,073 |
| После подкисления (фильтрат) | 34 | 4,60 | 0,413 | 39 | 0,006 |
| После раскисления (фильтрат) | 10 | 6,5 | 0,314 | 54 | 0,003 |
Неполное выделение белков обусловлено защитным действием присутствующих в сыворотке электролитов и превалированием заряда частиц белка как фактора устойчивости. Пептиды и небелковый азот остаются в сыворотке (табл.2.2.).
Таблица 2.2.
| Азот | Содержание азота в сыворотке, мг в 100 мл | |||
| исходное | после тепловой денатурации | после тепловой денатурации + подкисления | после тепловой денатурации + подкисления + раскисления | |
| Общий | 105 | 78 | 63 | 49 |
| Белковый | 65,8 | 39 | 22,9 | 9,4 |
| Казеиновый | 1,4 | 0 | 0 | 0 |
| Сывороточных белков | 60,2 | 33,8 | 17,2 | 3,8 |
| Пептидов | 4,2 | 5,2 | 5,7 | 5,6 |
| Небелковый | 39,2 | 39 | 40,1 | 39,6 |
Мутность сыворотки после тепловой денатурации белков снижается по сравнению с мутностью исходной в 2,16 раза (см. табл. 2.2.). Однако фильтрат сыворотки остается непрозрачным, по-видимому, из-за частичного развертывания глобул белка в результате разрыва нескольких связей полипептидной цепи. При температуре тепловой денатурации выше 100 ˚С степень выделения белков увеличивается незначительно.
Для усиления тепловой денатурации в подсырную сыворотку необходимо вводить реагенты-коагулянты, которые сдвигают реакцию среды в кислую сторону.
В качестве реагентов-коагулянтов рекомендуется использовать соляную кислоту, кислую сыворотку и молочную кислоту. Подкислять сыворотку серной кислотой нежелательно, так как ионы SO4 в дальнейшем затрудняют ее сгущение.
Белки из сыворотки выделяются также при введении в нее ионов-коагулянтов, в частности кальция. Сорбируясь на поверхности белковой глобулы, кальций способствует потере ее устойчивости в раствор и последующей ассоциации с образованием хлопьев. Например, при коагуляции хлористым кальцием из подсырной сыворотки выделяется свыше 50 % белка. Однако хлористый кальций хорошо действует только в свежей подсырной сыворотке, что несколько ограничивает его практическое применение.
Данные, характеризующие выделение белков из подсырной сыворотки в зависимости от вида применяемых реагентов-коагулянтов, приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3.
| Способ коагуляции | Реагент-коагулянт | Расход реагента на 1 т сыворотки, л | Выделение белка, % | |
| пределы колебаний | среднее значение | |||
| Тепловой | - | - | 20-34 | 27 |
| Кислотный | Соляная кислота | 1,5-2 | 37-63 | 48 |
| Молочная кислота | 4- 4,5 | 39-57 | 47 | |
| Уксусная кислота | 1-1,5 | 39-55 | 48 | |
| Кислая сыворотка | 130 -150 | 38-45 | 41,5 | |
| Хлоркальциевый | Хлористый кальций | 9-10 | 39-55 | 54,3 |
| Кислотно-щелочной | Соляная кислота + питьевая сода | 75-80 | 45-63 | 54,3 |
Для механизированного внесения реагентов и улучшения условий труда рекомендуется использовать специальную установку (рис. 2.4.)
Особенности коагуляции белков в соленой подсырной сыворотке изучали на модельных образцах, учитывая при этом содержание хлористого натрия после посолки сыра в зерне, а также повышение зольности до уровня сгущенной сыворотки (сиропы).
Эффективность выделения белков из модельных растворов молочной сыворотки показана в табл. 2.4.
Таблица 2.4.
| Способ коагуляции | Эффективность выделения белковых фракций (в %) при внесении хлористого натрия, % | ||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| Тепловой | 60 | 26 | 26 | 26 | 18 | 18 | 18 | 18 | 17 | 17 | 17 |
| Кислотный | 70 | 40 | 40 | 40 | 30 | 28 | 26 | 26 | 17 | 17 | 17 |
| Кислотно-щелочной | 78 | 68 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 |
| Хлоркальциевый | 72 | 60 | 55 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 | 52 |
С увеличением степени посолки (зольности) эффективность коагуляции белков в сыворотке снижается.
Происходит как бы защита белков от денатурации, что можно объяснить увеличением их заряда за счет введения электролита (хлористого натрия).
Наиболее эффективным оказался кислотно-щелочной способ, наименее — тепловой.
Из опытных данных следует важный научный и практический вывод: добавление минеральных солей (повышение зольности) молочной сыворотки стабилизирует белковые частицы, снижает эффективность тепловой денатурации и всех способов коагуляции.
Коагуляцию белков вызывает также введение щелочей (гидроксильной группы), однако это приводит к потемнению сыворотки (рис. 2.6.). И хотя практически способ выделения белков из молочной сыворотки в результате добавления щелочей неприемлем, интерес представляет явление перезарядки частиц белка и возникновения новой изоэлектрической точки.
Рисунок 2.6.
Рисунок 2.6. – Схема установки для внесения реагентов в сыворотку: 1 - бак для раствора щелочи; 2 - барабан с щелочью; 3 - насос; 4 - мерники-дозаторы; 5 - резервуар для сыворотки; 6 - монжю для хранения соляной кислоты; 7 — баллон с соляной кислотой; 8 - воздушный компрессор
Оптимальной реакцией среды при подкислении сыворотки является рН 4,4—4,6, что соответствует титруемой кислотности 30-35 °Т и совпадает с изоэлектрической точкой лактоальбуминовой фракции белков молочной сыворотки. Практика получения альбумина из подсырной сыворотки в нашей стране и за рубежом подтверждает это положение.
Степень выделения азотистых соединений подсырной сыворотки при оптимальном рН составляет (см. табл.2.2.) около 40%, что на 10-15% выше, чем при тепловой денатурации. Полученный фильтрат прозрачен, мутность сыворотки по сравнению с мутностью исходной снижается в 26,3 раза, по сравнению с очищенной путем тепловой денатурации - в 12,2 раза (см. также табл. 2.2.)
Остаточное количество азотистых соединений в сыворотке в пересчете на белок составляет 0,413%, что превышает содержание небелкового азота. Неполное выделение белковых фракций при кислотной, коагуляции (см. табл. 2.3.) объясняется их гетерогенностью и различием в свойствах. Поэтому способ очистки сыворотки от белков путем тепловой денатурации с подкисленном не обеспечивает полного выделения белков, что, например при производстве молочного сахара, снижает качество готового продукта и затрудняет проведение технологического процесса.
Дополнительно выделить белок из предварительно очищенной кислотным способом сыворотки можно путем ее раскисления при повышении рН среды (более 6). При этом, по-видимому, выделяются фракции белка, ранее защищенные лактоальбумином. Главную роль при раскислении играют гидроксильные. группы; ион-коагулянт, например кальций, не влияет на устойчивость оставшихся в сыворотке белковых фракций. Граница раскисления сыворотки находится при рН около 7 (выше происходит побурение). Оптимум раскисления (рис. 2.7.) соответствует рН 6—6,5, титруемая кислотность 10—15 °Т. При этом выделяется 50-55% белковых азотистых соединений (см. табл. 2.2.), мутность снижается до 0,003 усл. ед. В сыворотке остаются растворимые небелковые азотистые соединения (см. табл. 2.2.), которые нельзя выделить тепловой денатурацией и коагуляцией.
Таким образом, для максимального выделения белков из подсырной сыворотки необходимо применять тепловую денатурацию в сочетании с кислотно-щелочной коагуляцией. При подкислении и последующем раскислении рН среды соответствует изоэлектрической точке всех белков, присутствующих в сыворотке.
Принимая изоэлектрические точки белков за постоянную величину и отложив их значения на графике для альбуминовой фракции рН 4,5, а всех остальных рН 6,3, можно выбрать оптимальный режим обработки сыворотки различного качества (рис.2.8.). Сыворотка с исходной кислотностью ниже 35 °Т и рН выше 4,6 подлежит подкислению и раскислению (зона I), а выше 35 °Т и рН ниже 4,4 — только раскислению (зона II).
Рисунок 2.7.
Рисунок 2.7. – Эффективность коагуляции белков подсырной сыворотки в процессе подкисления (1) и раскисления (2)
Рисунок 2.8.
Рисунок 2.8. – Графическая схема коагуляции белков молочной сыворотки: I - зона подкисления и раскисления; II - зона раскисления
Сравнительная эффективность различных способов выделения белков из подсырной сыворотки хорошо иллюстрируется данными электрофореза и гельфильтрации (рис. 2.9.)
Оптимальную температуру денатурации следует определять с учетом всех воздействий на белки, в частности совместно с кислотно-щелочным способом коагуляции. Тепловой порог денатурации сывороточных белков находится в интервале 55 - 65 °С, видимая коагуляция – 75 - 80 °С, а оптимум теплового воздействия – 90 - 95 °С (рис.2.10.а.).
Белковые вещества обладают конечной скоростью денатурации, которую необходимо рассматривать как скачкообразный процесс: сначала постепенно разрываются внутримолекулярные связи, а затем нарушается структура частиц белка.
Скорость денатурации различных фракций белков неодинакова. Степень денатурации является функцией не только температуры, но и продолжительности ее воздействия.
Изменение количества белков в. сыворотке в зависимости от продолжительности теплового воздействия после нагревания и введения реагентов при кислотно-щелочном способе коагуляции показано на рис.2.10.б. Сыворотку после подкисления необходимо выдерживать течение 5 мин, а после раскисления - не менее 15 мин. Общая продолжительность коагуляции с учетом выдержки после подкисления составляет 20 мин.
Таким образом, в качестве оптимального можно принять следующий режим коагуляции белков подсырной сыворотки: нагревание до температуры 92,5 ± 2,5 °С; подкисление до рН 4,5 ± 0,1 (титруемая кислотность 30—35°Т); выдержка при данной температуре не менее 5 мин; раскисление до рН 6,25 ± 0,25 (титруемая кислотность 10-15 °Т); выдержка не менее 15 мин.
Рисунок 2.9.
Рисунок 2.9. – Электрофореграммы (а) и картина гельфилирации на "Сефадекс" марки G -25 (б) подсырной сыворотки и фильтратов при различных способах коагуляции: 1 - тепловой; 2 - кислотный; 3 - хлоркальциевый; 4 - кислотно-щелочной; 5 — исходная сыворотка
Рисунок 2.10. а. и б.
Рисунок 2.10. – Эффективность выделения белков подсырной сыворотки в зависимости от температуры нагревания (а) и продолжительности теплового воздействия (б)
Все операции по выделению белков из сыворотки осуществляют в специальном резервуаре, который называется танк-ванна для отваривания альбумина марки ТВАЛ-5.
Коагуляция белков творожной сыворотки. Оптимальные режимы денатурации и коагуляции белков подсырной сыворотки можно распространить на творожную (кислую) лишь условно, что объясняется различием их состава и свойств.
Изменение агрегатного состояния белков творожной сыворотки при нагревании показано на рис.2.5. Как видно из рис. 2.5. мутность творожной сыворотки изменяется так же, как и подсырной, хотя абсолютный показатель мутности творожной сыворотки несколько увеличивается вследствие дезагрегации белковых комплексов, затем в результате тепловой денатурации устойчивость частиц белка уменьшается и они образуют хлопья.
Порог тепловой денатурации белков творожной сыворотки соответствует 50 – 60 °С, однако видимая коагуляция (образование хлопьев) наступает при температуре около 80 °С. Эффективность выделения белка из творожной сыворотки в зависимости от температуры нагревания показана в табл. 2.5.
Таблица 2.5.
| Сыворотка | Температура нагревания, °С | Содержание белка, % | Количество выделенного белка, % |
| Исходная | - | 0,675 | 0 |
| 0,675 | 50 | 0 | |
| 70 | 0,67 | 1 | |
| 80 | 0,575 | 15 | |
| 90 | 0,482 | 29 | |
| 95 | 0,371 | 46 | |
| 100 | 0,33 | 52 | |
| 130 | 0,211 | 69 |
Максимальная температура тепловой коагуляции белков творожной сыворотки составляет 90—100 °С, оптимальная 93 °С. При дальнейшем нагревании количество выделившегося белка вследствие тепловой денатурации не увеличивается и составляет, как правило, 25 %. Фильтрат получается мутным, часть фракций белковых веществ остается в сыворотке (табл. 2.6.).
Для более полного выделения белков из творожной сыворотки необходимо вводить реагенты, которые сдвигают реакцию среды в щелочную зону. При этом основное значение имеет характер аниона реагента.
Таблица 2.6.
| Азот | Содержание (в мг на 100 мл) в сыворотке | |
| исходной | после тепловой денатурации | |
| Общий | 106 | 81 |
| Белковый | 68,2 | 43,5 |
| В том числе | ||
| казеиновый | 1,6 | 0 |
| сывороточных белков | 62,1 | 38,7 |
| пептидов | 4,5 | 4,8 |
| Небелковый | 37,8 | 37,5 |
Необходимость раскисления творожной сыворотки, имеющей, как правило, титруемую кислотность выше 60 °Т и рН ниже 4,5, подтверждается также графической схемой коагуляции белков молочной сыворотки (см. рис.2.7. зона II). Оптимальное значение рН, установленное экспериментально, при котором наблюдается максимальное выделение белка, составляет 6 - 6,5 (рис. 2.11.), что соответствует титруемой кислотности примерно 15 °Т.
Следует иметь в виду, что раскисление сыворотки до рН выше 6,5 или недостаточно энергичное перемешивание при внесении щелочного раствора приводят к ее потемнению.
Необходимая продолжительность теплового воздействия соответствует 10мин. В то же время выдержка при оптимальной температуре не должна превышать 30 мин.
Таким образом, оптимальный режим выделения белков из творожной сыворотки следующий: нагревание до 93 °С; раскисление до рН 6-6,5 (титруемая кислотность 15 °Т); выдержка 10-15 мин.
Для обработки творожной сыворотки можно использовать те же реагенты-коагулянты, что и для раскисления подсырной сыворотки. Реагенты следует вносить в сыворотку перед нагреванием или после подогрева до 70 °С, что позволяет избежать карамелизации.
Рисунок 2.11.
Рисунок 2.11. – Эффективность коагуляции белков в кислой сыворотке в зависимости от рН среды
Кроме тепловой денатурации и введения реагентов изучали и другие способы выделения белков из творожной сыворотки. Так, изучение электрофлотационной очистки творожной сыворотки показало перспективность данного метода. За 20 мин обработки сыворотки при катодной плотности тока 18—22 МА/см2 в пену выделялось до 75 % несахаров — белков и минеральных солей. Содержание сухих веществ в сыворотке снижалось с 6 до 4,75 %. Состав пены был следующим: 22 % сухих веществ, 48 % воды и 30 % газа.
Коагуляция белков в казеиновой сыворотке, особенно с введением неорганических кислот, изучена пока недостаточно. Можно рекомендовать тепловую денатурацию с длительной выдержкой.
Во Франции разработан способ получения белка из казеиновой сыворотки, который включает обработку на ионообменных смолах: катионит + анионит. В результате деминерализации содержание золы в сыворотке снижается с 0,82 до 0,03%. Затем в сыворотку добавляют щелочь для повышения рН с 3,5 до 4,5 - 5,9. Происходит выделение практически всех фракций сывороточных белков. В сухом продукте содержится (в %): белка - 76,1, небелковых веществ - 1,6, лактозы -16,1, жира - 2,6, минеральных солей - 0,7.
Коагуляция белков в сгущенной сыворотке. Все рассмотренные выше способы коагуляции белков молочной сыворотки, кроме тепловой денатурации, требуют внесения реагентов. При этом сыворотка и белок обогащаются составными частями реагентов. В табл. 2.7. приведены экспериментальные данные о содержании кальция в сыворотке и белковой массе при различных способах коагуляции.
В принципе внесение реагентов нежелательно, поскольку в определенной степени усложняются технология и организация процесса выделения белков. Кроме того, наблюдается частичный гидролиз белковых веществ.
Таблица 2.7.
| Способ коагуляции | Содержание кальция, мг% | ||
| в сыворотке | в белковой массе | ||
| исходной | после выделения белков | ||
| Тепловой | 46,2 | 37,9 | 79,4 |
| Кислотный | 46,2 | 37,3 | 81,8 |
| Кислотно-щелочной | 46,2 | 37,2 | 82,2 |
| Хлоркальциевый | 46,2 | 63,5 | 340 |
С целью совершенствования процесса разработана безреагентная коагуляция сывороточных белков, основанная на выделении белков при сгущении сыворотки. В качестве теоретической основы для разработки этого способа можно принять изменение агрегатного состояния белков в процессе сгущения сыворотки. При сгущении сыворотки происходят сложные физико-химические изменения как в целом системы, так и ее отдельных компонентов.
Изменение активной и титруемой кислотности натуральной подсырной сыворотки в процессе сгущения а также эффективность накопления взвешенного осадка показана на рис. 2.12. Рост титруемой кислотности имеет явно экспоненциальный характер и при сгущении в 2,5 раза достигает оптимума (30-35 °Т), рекомендуемого для коагуляции реагентами. Активная кислотность сыворотки в силу буферности системы изменяется по более сложной зависимости. Однако в целом имеется тенденция к ее снижению до изоэлектрической точки основных белковых фракций. Положительное влияние на процессы дестабилизации белковых частиц при сгущении сыворотки должно оказать также тепловое воздействие.
Рисунок 2.12.
Рисунок 2.12. – Изменение активной и титруемой кислотности и динамика накопления взвешенного осадка в процессе сгущения подсырной сыворотки: 1 - титруемая кислотность; 2 - рН; 3 - взвешенный осадок; 4 - расчетное количество взвешенного осадка (от исходного содержания)
В процессе сгущения в результате уменьшения объема сыворотки, сближения частиц белка и минеральных компонентов происходит их агрегация.
Содержание минеральных солей (по зольности) в сухом веществе осадка, выделенного из сыворотки, возрастает по мере ее сгущения. Так, если в исходной сыворотке оно составляет 2,9 %, то в сыворотке, сгущенной в 5 раз, - 8,1 %, а в сгущенной в 10 раз - 12,2 %. Особенно отмечен быстрый темп нарастания ионов кальция (примерно в 4 раза).
Общее количество осадка, выделившегося в процессе сгущения сыворотки, превышает расчетный уровень ее исходного.
Процесс накопления взвешенного осадка при сгущении сыворотки имеет экспоненциальный характер и для степени сгущения сыворотки от 1 до 9 раз описывается уравнением
Р = 5,9 е 0,5 n,
где Р - количество взвешенного осадка, г на 100 мл; n - степень сгущения.
Нативные свойства белков в процессе сгущения сыворотки изменяются. Вследствие этого белки коагулируют с образованием сложных белково-минеральных комплексов. При последующем нагревании сгущенной сыворотки до 90 – 95 °С с выдержкой 20 мин они выделяются в виде взвешенного осадка.
Эти процессы протекают интенсивнее с увеличением степени сгущения. Однако при этом увеличивается и вязкость системы, а разность удельных весов дисперсной фазы и дисперсионной среды уменьшается, что может отрицательно повлиять на последующий процесс разделения системы. Кроме того, следует иметь в виду, что углеводы, например глюкоза, повышают стабильность белков. Денатурация белков молочной сыворотки при увеличении дозы лактозы от 5 до 50 % замедляется.
Влияние зольных элементов на замедление денатурации было показано нами ранее при описании процесса коагуляции белков соленой сыворотки. Кроме того, белок при увеличении его концентрации денатурируется слабее. Эти факторы необходимо учитывать при рассмотрении процесса коагуляции белка в сгущенной сыворотке.
Эффективность очистки сыворотки по мере ее сгущения показана в табл.2.8.
Таблица 2.8.
| Сыворотка | Образцы сыворотки | Плотность, кг/м3 | Кислотность | Содержание, % | Чистота, ед. | ||||
| титру емая,°Т | активная (рН) | лактозы | золы | белка | сухих веществ | ||||
| Исходная | - | 1023 | 13 | 6,25 | 4,75 | 0,55 | 1 | 6,45 | 73,6 |
| Фильтрат очищенной исходной и сгущенной сыворотки | 1 | 1025 | 11 | 6,48 | 4,85 | 0,53 | 0,62 | 6,2 | 78,4 |
| 2 | 1042 | 27 | 5,85 | 9,41 | 0,87 | 0,74 | 11,6 | 81 | |
| 3 | 1066 | 38 | 5,75 | 14,3 | 1,34 | 1,08 | 17,6 | 81,3 | |
| 4 | 1095 | 51 | 5,67 | 19,42 | 1,72 | 1,34 | 23,8 | 81,7 | |
| 5 | 1110 | 65 | 5,61 | 24,6 | 1,98 | 1,6 | 29,9 | 82,2 | |
| 6 | 1140 | 77 | 5,58 | 29,14 | 2,38 | 1,91 | 35,8 | 81,4 | |
| 7 | 1250 | 89 | 5,55 | 33,68 | 2,74 | 2,18 | 42 | 80,2 | |
Наибольший эффект очистки сыворотки по возрастанию ее чистоты наблюдается при содержании сухих веществ 28 %, что соответствует сгущению сыворотки примерно в 4-5 раз.
При этом степень коагуляции белка составляет 64,7 %, что почти на 10 % выше, чем при очистке исходной сыворотки методом тепловой денатурации с внесением реагентов.
Электрофореграммы сыворотки, очищенной от белков безреагентым способом (рис.2.13.), показывают, что из пяти основных фракций в фильтрате остается только α-лактоальбумин, что обусловлено его термостабильностью.
При очистке сгущенной сыворотки с белком удаляется до 20 % минеральных солей.
Рисунок 2.13.
Рисунок 2.13. – Электрофореграмма натуральной (I) и очищенной от белков безреагентным способом (II) подсырной сыворотки: 1 - иммунные глобупины; 2 - протеозопептоны; 3 - α-лактоальбумин; 4 – β - лактоглобулин; 5 - белки плазмы крови
Центробежные методы
Центробежные методы (сепарирование, центрифугирование) используются для выделения из молочной сыворотки жира, казеиновой пыли, скоагулированных сывороточных белков, отделения кристаллов молочного сахара, некоторых других технологических процессов.
Сепарирование
Сепарирование молочной сыворотки используют на двух этапах её промышленной переработки: для выделения молочного жира и казеиновой пыли (обезжиривание) и для отделения скоагулированных сывороточных белков (осветление). Из обезжиренной сыворотки центробежно могут выделяться частицы казеина (казеиновая пыль), а также возможно совместное отделение казеиновых частиц и скоагулированных сывороточных белков.
Молочный жир и сывороточные белки являются одними из важных в энергетическом и биологическом отношениях компонентов молочной сыворотки. Их извлекают и используют, прежде всего, для пищевых целей. Кроме того, в некоторых технологических процессах промышленной переработки молочной сыворотки удаление жира и белков необходимо для обеспечения качества получаемого продукта (производство напитков, молочного сахара).
На практике молочная сыворотка, получаемая при производстве натуральных сыров и жирного творога, подвергается обязательному сепарированию, а при получении молочного сахара – очистке от сывороточных белков.
Содержание молочного жира в сыворотке, полученной при производстве сычужных сыров, составляет обычно 0,2 — 0,6%. Эта величина зависит от вида вырабатываемого сыра, физико-химических показателей сырья, а также от факторов, определяющих ход технологического процесса. Независимо от жирности подсырной сыворотки наибольшее число жировых шариков имеет диаметр 1-2мкм, а основной объем жира заключен в шариках размером 2-6 мкм.
Резкое механическое воздействие с разрушением структуры геля, а также интенсивное нагревание приводят к повышенному отходу жира в сыворотку, в том числе крупных жировых шариков, что снижает выход и качество готового продукта.
Содержание жира в творожной сыворотке в большей степени зависит от вида вырабатываемого творога (жирный, обезжиренный). Среднее содержание жира в сыворотке из-под творога 18%-ной жирности составляет 0,22% с размахом колебаний от 0,07 до 0,9%, а 9%-ной жирности — 0,09% с размахом колебаний от 0,05 до 0,25% по стадиям технологического процесса.
Кроме молочного жира, в сыворотке содержится и другая дисперсная фаза - частицы казеина размером менее 1 мм в количестве около 0,4% (но иногда их количество достигает 1%). Эта величина зависит от ряда технологических факторов, в первую очередь от интенсивности механического воздействия на сырное или творожное зерно. После извлечения из сыворотки жира и казеиновых частиц она представляет собой кинетически устойчивую систему, практически не подвергающуюся расслоению.
Исходя из состава и свойств сыворотки как гетерогенной системы, можно считать, что в процессе сепарирования необходимо выделить жировые шарики диаметром выше 1 мкм и частицы казеина эквивалентным диаметром 12 мкм. В этом случае разделяемость системы при температуре 30°С составит по казеиновой пыли 59 нс и молочному жиру 3900 нс.
Казеиновую пыль можно извлекать из сыворотки отстоем, фильтрацией и центрифугированием. Для извлечения казеиновой пыли отстоем сыворотку выдерживают в резервуарах в течение 2—3 ч, затем верхний слой сливают. Недостатки этого способа: требуются специальные резервуары, он длителен по времени, изменяются состав и свойства сыворотки в результате брожения, снижается качество казеиновой пыли.
Удаление казеиновой пыли фильтрацией затруднительно, так как частицы забивают поры фильтров и трудно отделяются от фильтровальной ткани.
Наиболее эффективный способ удаления казеиновой пыли - центробежный с использованием саморазгружающихся сепараторов. Продолжительность центрифугирования при скорости вращения 3000 с-1 составляет 30 с.
Для выделения жира из сыворотки применяют только центробежный способ - сепарирование. Качество его улучшается с повышением температуры.
Для выделения из молочной сыворотки жира и казеиновой пыли используются специальные сепараторы комбинированного типа. Барабан такого сепаратора имеет два пакета тарелок: осветлительный и разделительный, между которыми устанавливается межсекционная разделительная тарелка. Такие сепараторы выполняются с центробежной периодической выгрузкой осадка, чтобы обеспечить возможность дальнейшей переработки получаемого казеинового осадка. Саморазгружающиеся сепараторы-сливкоотделители для молока также могут применяться для обезжиривания сыворотки, но их производительность в этом случае должна быть снижена на 15-20 %. В зависимости от количества частиц казеина, содержащихся в сыворотке, необходимо подбирать соответствующее время между разгрузками. Причем эта величина может изменяться от одного часа - при малом содержании казеиновых частиц (не более 0,3 %), до нескольких минут - при большом (более 1 %).
Применение сепараторов-сливкоотделителей с ручной периодической выгрузкой осадка для выделения из молочной сыворотки жира и казеиновой пыли нецелесообразно. Во-первых, продолжительность непрерывной работы сепаратора не превышает 0,5 часа из-за быстрого заполнения шламового пространства барабана осадком. Во-вторых, дальнейшее употребление казеинового осадка в этом случае весьма проблематично.
Из сыворотки жир извлекается труднее, чем из молока, что обусловлено высокой дисперсностью жировых шариков и наличием казеиновой пыли. Только при хорошо организованном процессе сепарирования можно достичь в обезжиренной сыворотке остатка жира 0,05%. Обычно в большинстве случаев содержанке остатка жира составляет 0,1%
Возможным вариантом решения вопроса является использование для удаления казеиновой пыли модернизированных шнековых центрифуг ОГШ-325. При работе центрифуги в две стадии - сначала 2900-7200 усл. ед. (осаждение и отжим), затем 240-45 усл. ед. (выгрузка) на 1т творожной сыворотки получается дополнительно 10-20 кг сортового творога.
Барабаны обычных сепараторов-сливкоотделителей быстро забиваются казеиновой пылью (рис.2.14), поэтому при сепарировании подсырной сыворотки сепараторы останавливают для чистки и мойки через каждые 1,5-2 ч, творожной - через 50-60 мин.
Рисунок 2.14.
Рисунок 2.14. – Содержание в просепарированной сыворотке казеиновых частиц и молочного жира в зависимости от продолжительности работы сепаратора-сливкоотделителя.
Наиболее эффективно использование саморазгружающихся сепараторов для одновременного извлечения казеиновой пыли и молочного жира. Молочный жир выделяется из сыворотки в виде сливок, называемых подсырными.
Для извлечения жира и казеиновой пыли из сыворотки рекомендуется специально разработанный и выпускаемый серийно саморазгружающийся сепаратор А1-ОХС полузакрытого типа с двухсекционным барабаном. Конструкция барабана сепаратора обеспечивает центробежную пульсирующую частичную выгрузку осадка через определенные промежутки времени без прекращения подачи продукта. Мойка сепаратора безразборная в конце смены.
На рис. 2.15 показана последовательность технологических процессов извлечения жира и казеиновой пыли из молочной сыворотки.
Рисунок 2.15.
Рисунок 2.15. - Последовательность технологических процессов извлечения жира и казеиновой пыли из молочной сыворотки.
Молочную сыворотку, как правило, сепарируют при 35—40°С непосредственно после удаления ее из сыроизготовителя, то есть без предварительного подогревания. Допускается хранение подсырной сыворотки перед сепарированием не более 24 ч при температуре 8—10°С. В этом случае перед сепарированием сыворотку вновь рекомендуется подогреть до 35—40°С. Творожную сыворотку хранить не рекомендуется. Сливки, полученные в результате сепарирования, немедленно охлаждают до температуры 3—5°С.
Использование сепаратора Al-ОХС обеспечивает поточную обработку сыворотки без снижения ее качества с получением казеиновой пыли в виде белковой массы (20% сухих веществ) и молочного жира в виде подсырных сливок жирностью 30%.
Техническая характеристика сепаратора А1-ОХС
| Производительность, л/ч | 5000 |
| Скорость вращения барабана, об/мин | 5000 |
| Количество тарелок барабана, шт.: | |
| для осветления | 17 |
| для разделения | 82 |
| Диаметр осветлительной тарелки, мм: | |
| Максимальный | 318 |
| Минимальный | 155 |
| Диаметр разделительной тарелки, мм: | |
| максимальный | 400 |
| Минимальный | 155 |
| Угол наклона образующей тарелки, град | 50 |
| Мощность электродвигателя, кВт | 17 |
| Габариты, мм | 1500  940 1690
|
Сепаратор А1-ОХС состоит (рис.2.16) из следующих основных узлов: станины, приводного механизма, барабана, приемно-выводного устройства и гидроузла. Во внутренней полости станины монтируется приводной механизм, с боковой стороны крепится электродвигатель. Вращение барабана сепаратора осуществляется от фланцевого электродвигателя через фрикционно-центробежную муфту и быстроходную винтовую пару. Основной особенностью барабана является наличие двойного пакета тарелок: нижнего — осветлительного и верхнего - разделительного.
Рисунок 2.16.
Рисунок 2.16. – Сепаратор А1-ОХС: 1 - станина с приводным механизмом; 2 – тахометр; 3 – приемник осадка; 4 – основание барабана; 5 – днище барабана; 6 – капроновое кольцо; 7 – тарелкодержатель; 8 – барабан; 9 – крышка; 10 – приемно-отводное устройство; 11 – тарелка-разделитель; 12 – тарелка-осветлитель; 13 – тарелка с широкой отбортовкой; 14 – клапан.
Барабан работает по принципу частичной разгрузки путем пульсации подвижного днища, находящегося внутри барабана. Герметизация разгрузочных щелей осуществляется прижатием подвижного днища к уплотнительному капроновому кольцу крышки барабана. Работа гидромеханизма обеспечивается при помощи двух диаметрально противоположных клапанов.
Приемник для осадка монтируется в верхней части станины и состоит из приемной чаши, приемника для буферной воды и отводящего глушителя. На приемнике устанавливается крышка сепаратора с приваренными к ней четырьмя ручками для подъема крышки при разборке. К верхнему кольцу крышки крепятся приемно-отводящее устройство, включающее в себя два напорных диска, обеспечивающих вывод из барабана подсырных сливок и обезжиренной сыворотки; трубы, направляющие продукт; подводящие и отводящие коммуникации. На отводящей линии для сливок установлены дроссель и расходомер. Давление обезжиренной сыворотки устанавливается дросселем и контролируется по показаниям манометра.
Гидроузел сепаратора предназначен для подачи буферной воды к подвижным узлам барабана, обеспечивающим выгрузку осадка. Вода подается к гидроузлу под необходимым давлением посредством гидросистемы в определенное время, в требуемом количестве и на определенный период времени. В состав гидросистемы входят: фильтр, редуктор давления, два манометра, электромагнитные вентили, управляемые электронными реле.
Частичная разгрузка осуществляется через установленные промежутки времени без прекращения подачи продукта. В гидросистеме предусмотрена также полная разгрузка барабана, которая проводится в конце работы.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 1006.
