Интенсификация процесса кристаллизации лактозы из сгущенного нф-концентрата творожной сыворотки

Введение: Кристаллизация лактозы для ее отделения от жидкой фракции является ключевым этапом в производстве частично делактозированной деминерализованной сыворотки, которая может применяться в пищевой промышленности. Такая технология позволяет получать два ценных продукта: молочный сахар и частично делактозированную деминерализованную сыворотку, состав которой близок к молоку. Это решение особенно актуально для малых и средних молокоперерабатывающих предприятий, которые ежедневно производят 20–50 тонн сыворотки. В большинстве исследований используется традиционный метод кристаллизации лактозы.

Цель: Теоретически и экспериментально обосновать интенсификацию процесса кристаллизации лактозы из сгущенного НФ-концентрата творожной сыворотки путем применения циклических температурных режимов для увеличения выхода молочного сахара.

Материалы и методы: Исходный НФ-концентрат имел степень деминерализации 48±2%, массовую долю сухих веществ 55±0,5%, содержание лактозы – 79,6%. Экспериментальный образец подвергался циклическому температурному режиму: три шестидесятиминутных охлаждения до 6-8 °С и два пятнадцатиминутных нагрева до 67 °С и 60 °С соответственно. В контрольном образце кристаллизация осуществлялась традиционно. Общее время процессов составило 3,5 часа. Оценивались температура кристаллизата, содержание сухих веществ и масса кристаллизата. В теоретическом исследовании использовались методы анализа, дифференцирования и математического моделирования.

Результаты: Анализ процессов теплопередачи, испарения и кристаллизации при циклическом температурном режиме позволил установить математические зависимости между количеством кристаллизованной лактозы, концентрацией сухих веществ и физико-химическими параметрами кристаллизата, зависящими от температуры. Адекватность аналитических зависимостей подтверждена экспериментально. Установлено, что циклический температурный режим увеличивает средний размер кристалла в 4 раза и процент выкристаллизованной лактозы в 1,5 раза по сравнению с контрольным образцом.

Выводы: Применение циклического температурного режима в кристаллизации лактозы позволяет повысить ее выход и размер кристаллов, обеспечивая эффективное отделение лактозы и получение частично делактозированной деминерализованной сыворотки. Это решает задачу переработки сыворотки в пищевых целях на малых и средних предприятиях. Перспективы дальнейших исследований включают оптимизацию температурных режимов и циклов, а также разработку методов интенсификации процесса.

1. Акулич, А. В., Самуйленко, Т. Д., & Тимакова, Р. Т. (2021). Разработка компонентного состава сухих композитных смесей для заварных сортов хлеба улучшенной пищевой ценности. Хранение и переработка сельхозсырья, (4), 158-171. https://doi.org/10.36107/spfp.2021.240

2. Антюшко, Д. П., & Гавалко, Ю. В. (2019). Оценка пищевой ценности продуктов для энтерального питания. Вопросы питания, 88(5), 63-71. https://doi.org/10.24411/0042-8833-2019-10055

3. Бахолдина, Т. Н., Храмцов, А. Г., Голик, А. Б., Оботурова, Н. П., & Абакумова, Е. А. (2022). Разработка методики получения структурированного десерта на основе композиции сухой деминерализованной сыворотки и арабиногалактана. В Инновационное развитие агропромышленного, химического, лесного комплексов и рациональное природопользование. Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции (с. 25-31). Великий Новгород: Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого.

4. Бажал, И. Г., Дзюбенко, Е. П., & Куреленко, О. Д. (1973). Интенсификация изогидрической кристаллизации при помощи принудительной рекристаллизации. Журнал прикладной химии, XLVI(9), 1973-1978.

5. Беляев, Н. Г., Тимченко, Л. Д., Ржепаковский, И. В., Писков, С. И., Лодыгин, А. Д., Гапонов, В. И., & Хлебак, Т. С. (2020). Остеопротективный эффект хлеба, обогащенного белком, пищевыми волокнами, кальцием, железом и йодом, при гипоэстроген-индуцированном остеопорозе у крыс. Вопросы питания, 89(6), 58-69. https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10079

6. Верезуб, Н. А., Волошин, А. Э., Маноменова, В. Л., & Простомолотов, А. И. (2018). Гидродинамика раствора при скоростном росте кристаллов KDP. Кристаллография, 63(2), 302-306. https://doi.org/10.7868/S0023476118020248

7. Верезуб, Н. А., Волошин, А. Э., & Простомолотов, А. И. (2019). Гидродинамика и массоперенос при выращивании смешанных кристаллов из раствора. Кристаллография, 64(6), 973-978. https://doi.org/10.1134/S0023476119060250

8. Верезуб, Н. А., Волошин, А. Э., Маноменова, В. Л., & Простомолотов, А. И. (2020). Моделирование процессов гидродинамики и массопереноса при выращивании кристаллов KDP. Кристаллография, 65(4), 654-659. https://doi.org/10.31857/S0023476120040268

9. Волкова, Т. А. (2022). Комплексная переработка молочной сыворотки. В Актуальные вопросы производства сыра, масла и другой молочной продукции. Сборник материалов международной научно-практической конференции (с. 166-169). Углич: Всероссийский научно-исследовательский институт маслоделия и сыроделия.

10. Гнездилова, А. И., Виноградова, Ю. В., & Музыкантова, А. В. (2012). Влияние компонентов молочной сыворотки на процесс зародышеобразования при кристаллизации лактозы. Молочнохозяйственный вестник, (3), 27-32.

11. Гнездилова, А. И., Музыкантова, А. В., & Виноградова, Ю. В. (2013). Влияние белков молочной сыворотки на процесс кристаллизации лактозы. Хранение и переработка сельхозсырья, (7), 21-23.

12. Данильчук, Т. Н., Ефремова, Ю. Г., & Користина, И. В. (2020). Напитки на основе молочной сыворотки и сублиматов проростков растений. Хранение и переработка сельхозсырья, (3), 69-81. https://doi.org/10.36107/spfp.2020.305

13. Зорин, С. Н., Сидорова, Ю. С., & Мазо, В. К. (2020). Ферментативные гидролизаты белков молочной сыворотки и куриного яйца: получение, физико-химическая и иммунохимическая характеристики. Вопросы питания, 89(1), 64-68. https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10007

14. Костылева, Е. В., Середа, А. С., Великорецкая, И. А., Минеева, Д. Т., & Цурикова, Н. В. (2022). Эффективность ферментного препарата на основе нового мутантного штамма bacillus subtilis-96 при гидролизе белков молочной сыворотки и яичного белка. Вопросы питания, 91(2), 72-80. https://doi.org/10.33029/0042-8833-2022-91-2-72-80

15. Куленко, В.Г., Шевчук, В.Б., Славоросова Е.В., Фиалкова Е.А. (2016). Кристаллизатор-выпариватель (RU2590755C1). Патенты Google. https://patents.google.com/patent/RU2590755C1/ru

16. Мельникова, Е. И., & Станиславская, Е. Б. (2019). Применение микропартикулята сывороточных белков в технологии полутвердых сыров. Хранение и переработка сельхозсырья, (4), 129-140. https://doi.org/10.36107/spfp.2019.199

17. Новокшанова, А. Л., & Абабкова, А. А. (2015). Специализированные белковые кисломолочные напитки. Вопросы питания, 84(S3), 52-53.

18. Простомолотов, А. И., & Верезуб, Н. А. (2021). Анализ гидродинамики при синтезе кристаллов из водно-солевых растворов. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 24(3), 170-175. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-3-170-175

19. Свириденко, Ю. А., Кравченко, Э. Ф., & Яковлева, О. А. (2008). Использование молочной сыворотки и локальная очистка стоков. Молочная промышленность, (11), 58-60.

20. Симоненкова, А. П., & Дозорова, Е. А. (2021). Технологические возможности применения молочной сыворотки в технологии мороженого геродиетической направленности. Ресурсосберегающие технологии при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции (с.143–151). Орел: Издательство «Картуш».

21. Славоросова, Е. В., Шевчук, В. Б., Фиалкова, Е. А., Голденшлач, О. Н., & Нечаев, К. А. (2022). Перспективный способ переработки молочной сыворотки. Молочная промышленность, (12), 14-16. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2022-12-14-16

22. Славянский, А. А., Семенов, Е. В., Грибкова, В. А., & Николаева, Н. В. (2019). Особенности процесса кристаллизации в пересыщенном растворе (на примере сахарного производства). Хранение и переработка сельхозсырья, (3), 138-147.https://doi.org/10.36107/spfp.2019.171

23. Ткешелашвили, М. Е., Бобожонова, Г. А., & Сорокина, А. В. (2019). Разработка кондитерских изделий обогащенных белком. Хранение и переработка сельхозсырья, (1), 57-65.

24. Фиалкова, Е. А., Куленко, В. Г., Шевчук, В. Б., Славоросова, Е. В. (2015). Анализ влияния циклического режима работы кристаллизатора с воздушным охлаждением и подогревом на скорость роста кристаллов. Молочнохозяйственный вестник, (1), 87-95.

25. Шохалова, В. Н., Кузин А. А., Дыкало Н. Я., Шохалов В. А., & Костюков Д. М. (2014) Нанофильтрация творожной сыворотки: теоретические и практические аспекты. Молочная промышленность, (11), 65-66.

26. Шохалова, В. Н., Кузин, А. А., & Шохалов, В. А. (2016). Реологические характеристики смесей мороженого, содержащих НФ-концентраты творожной сыворотки. Молочная промышленность, (5), 66-68.

27. Blinov, A. V., Nagdalian, A. A., Blinova, A. A., Gvozdenko, A. A., Raffa, V. V., Oboturova, N. P., Golik, A. B., Maglakelidze, D. G., Siddiqui, S. A., & Ibrahim, S. A. (2021). Investigation of the influence of Zinc-containing compounds on the components of the colloidal phase of milk. Arabian Journal of Chemistry, 14(7), 103-229. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2021.103229

28. Boutin R. (2005). Lactose: The forgotten sugar. Knechtel Laboratories.

29. Darmali, C., Mansouri, S., Yazdanpanah, A., & Woo Meng, W. (2021). Cooling crystallization of lactose in the presence of whey protein and lactic acid impurities. Journal of Food Engineering, 311, 110729. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110729

30. Dincer, T. (2014). Sonocrystallisation of lactose in concentrated whey. Ultrasonics Sonochemistry. http://dx.doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.03.03

31. Francis, L. H. (1971). Treatment of whey (US 3615664 C 19711026). Google Patents. https://patents.google.com/patent/US3615664A/en

32. Goulart D. B., &Hartel R. W. (2017) Lactose crystallization in milk protein concentrate and its effects on rheology. Journal of Food Engineering, 212, 97-107. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2017.05.012

33. McSweeney, P. L. H., Fox, P. F., & Kelly, A. L. (2022). Lactose, water, salts and vitamins. Advanced Dairy Chemistry (vol. 3: Volume 3: Lactose, water, salts and minor constituents). Springer Nature.

34. Mimouni, A., Schuck, P., & Bouhallab, S. (2005). Kinetics of lactose crystallization and crystal size as monitored by refractometry and laser light scattering: effect of proteins. Le Lait, 85(4-5), 253-260. https://doi.org/10.1051/lait:2005015

35. Pandalaneni, K., & Amamcharla, J. K. (2018). Evaluating the crystallization of lactose at different cooling rates from milk and whey permeates in terms of crystal yield and purity. Journal of Dairy Science, 101, 8805-8821. https://doi.org/10.3168/jds.2018-14846

36. Prostomolotov, A. I., Verezub, N. A., Vasilyeva, N. A., &Voloshin, A. E. (2020). Hydrodynamics and mass transfer during the solution growth of the K2(Co,Ni)(SO4)2•6H2O mixed crystals in the shapers. Crystals, 10, 982-994. https://doi.org/10.3390/cryst10110982

37. Slivchenko, E. S., Samarskiy, A. P., Isaev, V. N., & Blinichev, V. N. (2017). Stability of supercooling solutions of crystallization systems in classical theory of new phase formation. ChemChemTech, 60(5), 88-93. https://doi.org/10.6060/tcct.2017605.5427

38. Sunkesula, V. (2020). Development of methods to improve lactose recovery from permeate and drying characteristics of Greek Acid Whey [Unpublished dissertation]. Electronic Theses and Dissertations.

39. Wijayasinghe, R., Bogahawaththa, D., Chandrapala, J., & Vasiljevic, T. (2020). Crystallization behavior and crystal properties of lactose as affected by lactic, citric, or phosphoric acid. Journal of Dairy Science, 103, 11050–11061. https://doi.org/10.3168/jds.2020-18375