Сгущение, кристаллизация и сушка молочной мелассы

СГУЩЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МОЛОЧНОЙ МЕЛАССЫ

Эффективными методами переработки мелассы в про дукты с высокой хранимо способностью и меньшими затратами на транспортировку и хранение являются концентрирование, сгущение и сушка.

Меласса в норме имеет высокое содержание сухих веществ  и может быть высушена без предварительного концентрирования и (или) сгущения. Однако для интенсификации процесса сушки и получения конечных продуктов с высоким содержанием сухих веществ рационально проводить концентрируется и сгущение мелассы. Меласса концентрировали на баромембранных установках, в результате нетермически удаляются часть влаги, а также в зависимости от типа мембраны частично и минеральные вещества. 

Значительный интерес представляет процесс сгущения мелассы, который дает возможность получить как конечные продукты с высоким содержанием сухих веществ, так и промежуточные продукты при изготовлении молочного сахара и сухих молочных продуктов. Степень сгущения мелассы зависит от требований к конечному продукту. Для производства молочного сахара необходимо сгущение сырья до 60–65 % сухих веществ, сгущенных продуктов – до 50–75 %, сухих – 45–60 %. Кроме того, степень сгущения определяется условиями, которые сводятся к удобству дальнейшего использования сгущенной мелассы (текучая консистенция), и во многом техническими возможностями вакуум-выпарных аппаратов [1].

Кристаллизация лактозы является неотъемлемой частью производства большинства сгущенных и сухих молочных продуктов. Сущность процесса заключается в массовом формировании зародышей кристаллов во избежание пересыщения сгущенного раствора, предупреждения неконтролируемого роста кристаллов на стадии хранения и получения продукта однородной консистенции.

Средний размер кристаллов для сгущенного продукта непосредственного потребления составляет не более 10 мкм (не ощущаются на вкус); для промежуточного сгущенного продукта, направляемого на сушку, – 20–30 мкм (максимум 50 мкм); для выделения молочного сахара – 250–300 мкм [2–4]. Это достигается при правильном подборе режима кристаллизации.

Для одновременного массового формирования максимального числа центров кристаллизации и получения мелких кристаллов необходимо управлять процессом их роста: осуществлять контролируемое охлаждение, перемешивание и внесение затравочного материала (лактозы с кристаллами размером не более 3–4 мкм) [5]. При неконтролируемой кристаллизации в продукте образуются излишне крупные кристаллы лактозы (более 250 мкм), которые вызывают органолептические пороки и снижение эффективности производства.

Лактоза сильно отличается по технологическим свойствам от других дисахаридов. В водном растворе ее молекула присутствует в α- и β-формах, которые находятся в состоянии обратимого равновесия, т.е. происходит постоянная трансформация из одной формы в другую, или мутаротация. Соотношение двух форм определяется температурой раствора. Моногидрат α-лактозы – это вещество, не обладающее гигроскопичностью, образуется также в концентрате жидкой сыворотки в результате кристаллизации из пересыщенного раствора. α-Форма как менее растворимая, чем β-форма при данной температуре, первой достигает точки пересыщения и образует кристаллы моногидрата. Удаление в результате кристаллизации α-лактозы из раствора изменяет соотношение между двумя формами, и концентрация β-лактозы становится выше равновесной. Вследствие мутаротации концентрация α-лактозы опять поднимается выше точки пересыщения и кристаллизация продолжается. Этот процесс протекает до тех пор, пока раствор остается пересыщенным и не будет достигнута точка насыщения [3].

Мелассу после ультрафильтрации и электродиализа концентрировали на вакуум-выпарном аппарате с принудительной циркуляцией (глубина вакуума – 700 гПа, температура кипения 68 °С). Состав сгущенной мелассы приведен в табл. 1. При этом в образце № 2 была проведена направленная кристаллизация лактозы, в образце № 4 – предварительный гидролиз (доза фермента 1,4 %, рН 6,6, температура 10 °С, продолжительность 12 ч), контрольные образцы № 1 и 3 были выработаны без направленной кристаллизации лактозы и без гидролиза.

Компонентный состав сгущенной молочной мелассы
Кристаллизацию лактозы в сгущенном УФ-ДМ-фильтрате проводили путем создания пересыщения за счет снижения температуры (скорость охлаждения 5 °С/ч) при постоянном перемешивании. В качестве затравки вносили мелкокристаллическую лактозу в количестве 0,02 % массы продукта при 40 °С. В контрольном образце кристаллизация протекала не направленно. По ходу процесса фиксировали степень кристаллизации: отношение выкристаллизованной лактозы к ее общему содержанию в продукте (рис. 1).
Кинетика кристаллизации лактозы в сгущенном УФ-ДМ- фильтрате мелассы

При направленном процессе накапливается значительно больше кристаллов лактозы, что дает возможность получить продукт с большим количеством кристаллов определенного размера и однородным распределением.

Образцы сгущенных продуктов мелассы представлены на рис. 2. Охлаждение сгущенной мелассы одновременно с кристаллизацией лактозы сопровождается увеличением вязкости продукта (рис. 3).

Образцы сгущенных продуктов мелассы

При направленном процессе кристаллизации лактозы сгущенный продукт (образец № 2) имеет большую вязкость (рис. 3, а), чем без контролируемой кристаллизации (образец № 1). Это объясняется уменьшением размера и увеличением количества кристаллов, следовательно, повышением поверхностного натяжения. Кроме того, в продукте с направленной кристаллизацией лактозы повышается гомогенность и снижается седиментация кристаллов: они более равномерно и однородно распределены.

Предварительный гидролиз лактозы в сгущенном продукте (образец № 4) исключает необходимость кристаллизации.

В гидролизованном сгущенном продукте (образец № 4) отсутствовали кристаллы лактозы, он имел консистенцию густой, прозрачной жидкости с коричневым оттенком. В негидролизованном сгущенном продукте (образец № 3) было много выпавших кристаллов лактозы, консистенция получилась плотная с потерей текучести, непрозрачная (см. рис. 2). Вязкость негидролизованного продукта значительно выше, чем гидролизованного (рис. 3, а и б).

Отличительные особенности внешнего вида кристаллов лактозы α-формы – усеченная пирамида (рис. 4), β-формы – четкие параллелепипеды [6].

Внешний вид кристаллов молочного сахара
Вид и размер образовавшихся кристаллов представлены на рис. 5. Для оценки размера кристаллов лактозы, образовавшихся в образцах сгущенных продуктов, при микроскопировании с 400-кратным увеличением использовали окуляр с линейкой, а также камеру Горяева с длиной стороны малого квадрата 50 мкм, что соответствует двум делениям шкалы окуляра. Таким образом, цена деления шкалы окуляра составляет 25 мкм.
Вид и размер кристаллов лактозы

При направленной кристаллизации лактозы в сгущенной мелассе (образец № 2) образуются кристаллы α-формы(треугольные), не обладающие гигроскопичностью, со средним размером 30–40 мкм. В образцах № 1 и № 3 без проведения направленной кристаллизации лактозы присутствуют кристаллы β-формы (прямоугольные), они неоднородные, со средним размером 100–150 и 250–300 мкм соответственно. При предварительном гидролизе лактозы в сгущенном продукте (образец № 4) кристаллов лактозы не обнаружено, так как она была полностью расщеплена на глюкозу и галактозу.

Таким образом, при необходимости выработки конечного или в дальнейшем направляемого на сушку сгущенного продукта надо проводить направленную кристаллизацию лактозы, чтобы обеспечить требуемые органолептические и реологические показатели, улучшить хранимоспособность, снизить гигроскопичность готового сухого продукта

СУШКА МОЛОЧНОЙ МЕЛАССЫ

Сушку образцов проводили на лабораторной установке распылительного типа Я23-ОСУ. Режимы сушки: температура воздуха на входе в сушильную камеру – 180–190 °С, на выходе из нее – 80–90 °С; давление воздуха на распылителе – 0,4 МПа. При выборе температуры воздуха в сушильной камере принимали во внимание тот факт, что при температуре свыше 90 °С начинается побурение продукта в результате реакций карамелизации и меланоидинообразования, интенсивность которых усиливается с увеличением содержания несахаров в продукте [6].

Меласса, подвергнутая ультрафильтрации и электродиализу (табл. 2), была направлена на распылительную сушильную установку Я23-ОСУ.

Физико-химические показатели мелассы
Полученные сухие продукты (рис. 6) имеют высокие органолептические показатели: чистый молочный вкус, сладковатый, без посторонних привкусов и запахов.
Сухая меласса
Сухая деминерализованная меласса сыпучая, светлокремового цвета, запах и вкус молочные. Ее основные физико-химические показатели представлены в табл. 3.
Физико-химические показатели сухой мелассы
После деминерализации и сушки в конечном продукте снижается массовая доля золы в 5 раз и возрастает содержание лактозы более чем на треть по сравнению с исходной мелассой, что, в свою очередь, повышает определяющий показатель лактозосодержащего сырья – доброкачественность [2].

Кроме того, в ходе эксперимента выявлено, что в процессе сушки с повышением степени деминерализации мелассы продукт меньше налипает на стенки башни и воздуховодов. Чем выше степень очистки мелассы, тем лучше она поддается сушке и готовый продукт получается с лучшими органолептическими показателями. Важным этапом является кристаллизация лактозы, содержащейся в мелассе, перед сушкой. Известно, что наличие в сухой сыворотке значимых количеств некристаллизованной лактозы в аморфном состоянии приводит к комкованию продукта при хранении, что объясняется чрезвычайной гигроскопичностью аморфной лактозы, которая поглощает водяные пары, образуя моногидрат α-лактозы.

Исследования показали практическую возможность получения из молочной мелассы сухого продукта с хорошими органолептическими свойствами, что позволяет существенно увеличить выход товарной продукции при производстве лактозы.

Заключение

Применение методов ультрафильтрации и деминерализации в производстве молочного сахара позволяет исключить процессы кристаллизации и центрифугирования. При этом раствор лактозы высушивается на распылительной установке. По технологии с использованием мембранных методов производят молочный сахар, предназначенный для получения рафинированной лактозы (рис. 7). 

Обобщенная схема направлений переработки и использования мелассы
В ходе выполнения цикла работ по исследованию технологических аспектов переработки молочной мелассы изучены особенности ее поведения в технологических процессах и возможные варианты применения продуктов переработки мелассы на пищевые цели. Установлено, что для выделения белка из данного сырья рационально применять центрифугирование и (или) ультрафильтрацию

Для дальнейшей очистки сырья от минеральных солей целесообразно использовать метод электродиализной обработки. При этом необходимо учесть, что на первоначальном этапе деминерализации удаляются преимущественно одновалентные ионы, такие как натрий и калий, которые в мелассе находятся в свободном или ионизированном состоянии. Двухвалентные металлы, такие как кальций, фосфор, магний, при электродиализе удаляются хуже. В молочном сырье около 10 % всего кальция приходится на долю ионизированного или свободного, около 68 % находится в виде фосфатов и цитратов кальция и около 22 % кальция связано с белковыми компонентами. Известно, что большая часть фосфатов и цитратов кальция в сырье находится в коллоидном состоянии (около 80 %) и на первоначальной стадии не принимает участия в электродиализном обессоливании молочного сырья. При электродиализе одновременно с одновалентными катионами удаляются анионы фосфатов и цитратов, что приводит к частичной диссоциации комплексов, связывающих ионы кальция и магния. В результате значительная часть кальция и магния, входящих в состав мелассы, переходит в состояние свободных катионов и начинает участвовать в электродиализном переносе. Следовательно, с повышением степени обессоливания возрастает степень удаления катионов щелочноземельных металлов.

Для интенсификации и сокращения продолжительности процесса деминерализации мелассы (до 30 %) методом электродиализа возможно предварительное выделение из нее солей фосфатов кальция. Для этого мелассу нагревают до 60–80 °С и 10 %-ным раствором щелочи корректируют рН до 7,5–7,8. Далее смесь отстаивают, удаляют хлопьевидный осадок (фосфаты кальция) или центрифугируют при 5000 об/мин, а полученную очищенную мелассу направляют на электродиализную установку. Кроме того, фосфаты кальция представляют коммерческий интерес, поскольку могут быть использованы в кормовом производстве.
Наряду с возвратом деминерализованной мелассы в технологический цикл производства лактозы одним из путей переработки мелассы является сгущение, что позволит улучшить хранимоспособность и использовать ее как компонент в пищевой, кормовой и других отраслях. Однако при сгущении данного сырья происходит пересыщение раствора, лактоза выпадает в осадок в виде кристаллов, что значительно ухудшает товарный вид и качественные показатели продукта. Гидролиз лактозы на глюкозу и галактозу позволяет предотвратить указанные пороки и получать ряд новых продуктов с заданными функциональными свойствами (сладость, растворимость, стойкость при хранении).
При предварительном гидролизе лактозы в сгущенном продукте мелассы исключается необходимость кристаллизации, поскольку в гидролизованном сгущенном продукте отсутствуют кристаллы лактозы. После гидролиза лактозы в очищенной мелассе ферментным препаратом β-галактозидазы путем сгущения можно получать глюкозо-галактозный сироп для использования в пищевой, консервной, кондитерской, молочной промышленности. Глюкозо-галактозный сироп применяется в качестве заменителя сахара в различных отраслях пищевой промышленности, сухая меласса – в качестве компонента при производстве пищевых продуктов, субстрата для культивирования микроорганизмов.

Список литературы:

1. Храмцов, А.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки / А.Г.Храмцов, П.Г.Нестеренко. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 587 с.

2. Синельников, Б.М. Лактоза и ее производные / Б.М.Синельников [и др.]; науч. ред. акад. РАСХН А.Г.Храмцов. – СПб.: Профессия, 2007. – 768 с.

3. Вагн Вестергаард. Технология сухого молока. Выпаривание и распылительная сушка/NiroA/S. – Копенгаген, 2003. – 304 с.

4. Инихов, Г.С. Методы анализа молока и молочных продуктов / Г.С.Инихов, Н.П.Брио. – М.: Пищевая промышленность, 1971. – 423 с.

5. Червецов, В.В. Теоретические и практические аспекты интенсификации процесса кристаллизации при производстве молочной продукции / В.В.Червецов // [Электронный ресурс]. – 2012. – Режим доступа: http://tekhnosfera.com/teoreticheskie-i-prakticheskieaspekty-intensifikatsii-protsessa-kristallizatsii-pri-proizvodstvemolochnoy-produktsii#ixzz4NKJ4ydQv. – Дата доступа:17.10.2016 г.

6. Храмцов, А.Г. Молочный сахар / А.Г.Храмцов. – М.: Агропромиздат, 1987. – 224 с.

Поделиться:

Прошлые посты

Меню