2015Сибирский НИИ сыроделия, сборник научных трудов

2.Климовский И.И. Биохимические и микробиологические основы производства сыра. – М.: Изд. «Пищевая промышленность». – 1966. – 207 с.

3.Шилер Г.Г. Справочник технолога молочного производства. Т.3. Сыры / В.В. Кузнецов, Г.Г. Шилер. – СПб: ГИОРД, 2003. – С. 206-215.

УДК 637.002.5: 338.45: 658.562.3

Ультрафильтрация – перспективный способ переработки молока

С.Ю. Бузоверов, к.с.-х.н., доцент, Н.М. Сурай, к.т.н., доцент

ФГБОУ ВО «Алтайский государственный аграрный университет», г. Барнаул, Россия

Введение

В настоящее время со стороны отечественных производителей молочных продуктов стал появляться все больший интерес к использованию современных прогрессивных методов обработки молочного сырья.

Сегодня, около 9 % мирового производства молока и молочной сыворотки обрабатывается путем ультрафильтрации (УФ), из которой получают 5000080000 т концентратов сывороточного белка в год в зависимости от содержания белка в сухом продукте [1].

Ультрафильтрация – наиболее часто применяемый мембранный процесс при переработке молочного сырья. УФ подвергают цельное молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также сыворотку.

Задачами УФ являются:

1)предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных видов сыров;

2)значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для создания новых видов сыров;

3)нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости свойств получаемого сыра не зависимо от сезонности;

5)выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых концентратов и лактозного раствора [2, 5].

Ультрафильтрация молока. Предварительное концентрирование молока путем УФ увеличивает массовую долю сухих веществ в среднем с 12,5% до 16% и позволяет удвоить производительность последующих стадий. При концентрировании цельного молока в 2 раза в технологическую цепочку включается только УФ – система, а основные операции производства сыра осуществляются по общепринятой технологии.

При дальнейшем концентрировании молока до фактора концентрирования 3-5 (до 40% СВ) для получения и обработки белкового сгустка требуется специальное оборудование [3, 4].

21

Материал и методы исследований

Один из известных способов получения сгустка из молочного концентрата заключается в следующем. Цельное молоко после пастеризации подкисляют соляной кислотой до рН 5,8 для того, чтобы не задерживался кальций на мембранах. Проводят УФ подкисленного молока до фактора концентрирования 2,5. Затем проводят процесс диафильтрации для уменьшения содержания лактозы и доводят фактор концентрирования до 5. В концентрат добавляют бактериальную закваску и выдерживают при 25 °С до достижения рН 5,1 – 5,2. Концентрат разливают в формы, в которые подается раствор молоко свертывающего фермента. Готовый сгусток разрезают и отваривают в фильтрате или воде, снижая содержание влаги до 43 %.

Результаты исследований

Использование УФ молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока сокращается с 8,5 до 6,5 кг/кг сыра. Кроме того, УФ концентрирование позволяет сократить расход молоко свертывающего фермента (до 60%) и бактериальной закваски, уменьшить время созревания сыра и продолжительность технологического процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.

Исходя из вышеизложенного перед нами была поставлена цель изучить процесс ультрафильтрации молочной продукции и оценить современное оборудование для осуществления этого процесса.

Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рисунке. Основными технологическими стадиями являются сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация обезжиренного молока и обратный осмос. Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молочных продуктов. Использование мембранных аппаратов при переработке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод.

Исходя из капиллярно-фильтрационной модели, явление обратного осмоса можно представить следующим образом: на поверхности и внутри капилляров гидрофильной полупроницаемой мембраны образуется слой связанной воды. Ионы солей в растворе при своем тепловом движении захватывают воду у поверхности мембран, образуя гидратные оболочки, и переносят ее таким образом в объем раствора. Снижение концентрации воды у поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану. Такой переход будет происходить до тех пор, пока силы, определяемые притяжением молекул воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора.

22

Ультрафильтрация Фильтрат

Концентрат обезжиренного молока

Рис. Схема переработки молока

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяют, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия [4].

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что приводит к необходимости использования специальных уплотнений трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон. Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Рассмотрим основные кинетические закономерности процесса. Движу-

щей силой процесса обратного осмоса является перепад давления:

где р – избыточное давление под раствором, π1 – осмотическое давление раствора.

Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата прошедшего через мембрану. Тогда:

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой

23

разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так при осмотическом давление морской воды, содержащей 35% солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа.

Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа:

где x – мольная доля растворимого вещества; R – газовая постоянная;

Т – абсолютная температура раствора, К.

Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа Ам (Дж) расходуется на создание давление в жидкости и продавливание ее через мембраны:

где А – работа на сжатие жидкости, Дж; Апр – работа на продавливание жидкости через мембрану, Дж.

Так как жидкость несжимаема, величиной Ас обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости:

где ∆p – перепад давления на мембране; Н/м2; V – объем продавливаемой жидкости, м3.

Существуют так же наиболее важные технологические свойства мембран как селективность и проницаемость.

Селективность (φ) – это разделяющая способность мембраны, которая

где х2, х1 – концентрации растворённого вещества в исходном растворе и фильтрате.

Иногда φ (%) называют коэффициентом солезадержания.

Проницаемость G [в л/м³•ч ] при данном давлении выражается соотноше-

где V – объём фильтрата, л;

F – рабочая площадь поверхности мембраны, м²; τ – продолжительность процесса, ч.

Выводы

Наиболее целесообразными для использования в процессе ультрафильтрации молока являются керамические мембраны. Керамические мембраны, создаваемые обычно на основе оксидов, нитридов и карбидов ряда металлов, предназначались для микро- и ультрафильтрации различных жидкостей, агрессивных по своей природе или требующих для осуществления эффективных процессов

24

разделения их нагрева до температур свыше 100 °С, где полимерные (органические) мембраны теряют свои свойства или разрушаются. Кроме высокой температурной стабильности, существует еще целый ряд характерных для керамических мембран свойств: механическая стабильность; стойкость к химическому и микробиологическому воздействию; стабильность создаваемых структурных пор и возможность активного управления ими в процессе производства мембран; возможность использования обратных потоков через мембрану; высокая пропускная способность мембран; большой срок службы.

Библиографический список

1.Бузоверов С.Ю. Перспективы использования ультрафильтрации в переработке молока / С.Ю. Бузоверов, Н.М. Сурай // Найновите постижения на Европейската наука – 2011: мат. VII науч.-практ. конф. (17-25 июня 2011 г.): в 38 т. – София: Изд-во «Баял ГРАД-БГ» ООД, 2011. – Т.38. – С. 54-58.

2.Кавецкий Г.Д. Технологические процессы и производства (пищевая промышленность) / Г.Д. Кавецкий, А.В. Воробьева. – М.: КолосС, 2006. – 368с.

3.Крусь Г.Н. Технология молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев; Под ред. А.М. Шалыгиной. –

М.: КолосС, 2006. – 455с.

4.Курочкин А. А. Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства / А. А Курочкин, В. В Лященко. - М.: Колос, 2001. – 440 с.

5.Машины и аппараты пищевых производств. В 3 кн. / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: КолосС, 2009. – 610 с.

УДК 641.001.25

Создание системы карт для определения сырьевой зоны радиационного риска

А.К. Какимов, доктор технических наук, профессор, Ж.Х. Какимова, кандидат технических наук, Е.С. Жарыкбасов, магистрант

Государственный университет им. Шакарима города Семей, Республика Казахстан

Одним из неотъемлемых факторов, обеспечивающих сохранение здоровья и высокой трудоспособности человека, является рациональное питание. Одним из действенных средств поддержания здоровья человека в условиях возросшей экологической нагрузки является обеспечение безопасности продуктов питания

[1].

Вместе с тем, пищевое сырье и продукты питания содержат достаточно обширный перечень чужеродных веществ, в том числе радиоактивные элементы. Радиоактивные элементы, попадающие в организм, вызывают возникновение свободных радикалов – частиц, обладающих высоким повреждающим

25

действием на живую клетку. Из большого числа радионуклидов наибольшую значимость как источник облучения населения представляют цезий-137 [2].

Цезий является близким аналогом физиологически важного элемента — калия (К), имеет больший период полураспада, высокую энергию излучения (β- излучатели и γ-излучатель), способен легко включаться в биологический круговорот и попадать в организм человека, вызывая радиоактивное облучение. Накапливается в основном в мышцах и паренхиматозных органах, меньше - в крови, жировой ткани и коже [3].

В связи с чем, организация производства безопасных продуктов питания в соответствии с рецептурами и технологией требует, прежде всего, объективной информации об уровне экологической чистоты используемого сырья.

Цель исследования - создание системы карт качества молочного сырья, производимого в Семейском регионе Восточно-Казахстанской области, построенных на принципах экологического картографирования для оценки степени накопления цезия в сырье молочного происхождения.

Объекты и методы исследований Система карт качества молочного сырья составлена на основе исследова-

ния количественного содержания цезия в биогеохимической цепи почва-вода- растение-сырье молочного происхождения. Основанием для создания системы карт качества молочного сырья является эколого-геохимическое картографирование путем создания серии взаимосвязанных тематических карт.

С этой целью, в качестве объектов исследования были выбраны почва, вода, растения, сырье молочного происхождения, отобранных из 10 населенных пунктов трех районов Семейского региона Восточно-Казахстанской области (Абайский, Аягозский, Урджарский районы), которые в соответствии с законом Республики Казахстан «О социальной защите гpаждан, постpадавших вследствие ядеpных испытаний на Семипалатинском испытательном ядеpном полигоне» относятся к разным зонам радиационного риска.

Абайский район относится к зоне максимального радиационного риска, Аягозский – к зоне повышенного радиационного риска, Урджарский район – к зоне минимального радиационного риска.

Места отбора исследуемых образцов были выбраны также с учетом розы ветров, а именно, территории расположенные в юго-восточном направлении со стороны бывшего Семипалатинского ядерного полигона.

Для исследования содержания цезия в растениях были выбраны основные пастбищные культуры естественных угодий исследуемых районов:

-в Абайском и Аягозском районах такие культуры как полынь, ковыль, типчак, тонконог;

-в Урджарском районе – таволга, полынь, ковыль, типчак, тонконог. Отбор проб почвы проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана

природы. Почвы. Общие требования к отбору проб».

Отбор проб воды из открытых водоемов проводили в соответствии с СТ РК ГОСТ Р 51592-2003.

Отбор проб надземной части пастбищных культур проводили в соответствии с ГОСТ 27262-87 «Метод отбора проб зеленого корма (травы)».

26

Отбор проб пищевых продуктов (молока) проводился в соответствии с СТ РК 1623-2007 «Пищевые продукты. Отбор проб, анализ и гигиеническая оценка».

Для определения количественного содержания цезия в исследуемых объектах методом гамма-спектрометрии использован гамма-спектрометр с электроохлаждаемым германиевым детектором «GC 2019» и многоканальным анализатором «DSA-1000» (фирма «Canberra», США).

Все исследования проводились в 3–4 - кратной повторности и обрабатывались статистически. В экспериментальной части приведены средние значения показателей.

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования уровня удельной радиоактивности изотопов 137Cs в образцах почв, воды, растений, молока (рассматриваемого, как сырье молочного происхождения), представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Концентрация Cs-137 в различных пробах

На основании проведенных исследований установлено, что содержание цезия в образцах почв и воды изучаемых районов не превышают предельно допустимых концентраций (ПДК цезия в почве составляет 104 Бк/кг, в воде

6,3·102 Бк/кг).

Вместе с тем, необходимо отметить, что из десяти исследуемых районов наибольшее содержание цезия (137Сs) от 11 до 18 Бк/кг обнаружено в образцах почв пастбищных лугов Абайского района (Караул, Кокбай, Жидебай, Каскабулак, Медеу).

Следующим объектом исследований является вода, как один из источников загрязнения организма человека и животных.

Как видно из таблицы 1, наибольшее содержание исследуемого радиоактивного элемента отмечено в отобранных образцах воды из открытых водоемов

27

Абайского района (Караул, Кокбай, Жидебай, Каскабулак, Медеу), где содержание цезия (137Сs) варьировало от 0,8 до 3 Бк/л. Необходимо отметить, что прямой зависимости содержания цезия в воде и в почве исследуемых населенных пунктов не установлено.

На следующем этапе исследованы травы пастбищных и сенокосных угодий, как начальные звенья естественной цепи загрязнения сырья животного происхождения токсичными соединениями.

Максимальное содержание цезия (137Сs) установлено также в отобранных образцах пастбищных культур Абайского района (Караул, Кокбай, Жидебай, Каскабулак, Медеу), где содержание 137Сs варьировало от 2,0 до 4 Бк/кг.

Содержание цезия в исследуемых образцах растений значительно ниже предельно допустимых норм (ПДК – 74 Бк/кг). Известно, что надземная часть пастбищных культур, в основном, аккумулируют радиоактивные элементы через корневую систему из почвы [4]. Поэтому содержание исследуемых радиоактивных элементов в надземной части пастбищных культур находятся в прямо пропорциональной зависимости от плотности загрязнения почвы.

Для определения степени накопления радиоактивного элемента в сырье животного происхождения из всех видов животного сырья было выбрано, именно, молоко, так как известно, что определение токсичных элементов коровьего молока можно использовать в качестве биоиндикаторов, характеризующих биогеохимические особенности региона.

Образцы молочного сырья были отобраны в пастбищный период. Известно, что в пастбищный период пастбищная трава занимает примерно 92,6 % в структуре рациона коров.

Как видно из таблицы 1, содержание цезия в опытных образцах молочного сырья не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК цезия (137Сs) в молочном сырье составляет 100 Бк/л).

Установлено наибольшее содержание цезия (137Сs) в молочном сырье коров с. Караул Абайского района – 7,6 Бк/л, в этом регионе содержание данного элемента в пастбищных культурах составило 4 Бк/кг, в воде – 2 Бк/л, в почве – 18,0 Бк/кг. В образцах молочного сырья Аягозского района содержание цезия значительно ниже, чем в Абайском районе. Вместе с тем, в с. Акшатау содержание цезия (137Сs) в молочном сырье составило 6,4 Бк/л, в пастбищных же культурах 3,4 Бк/кг, в воде – 0,2 Бк/л, в почве – 15,0 Бк/кг.

Повышенное содержание цезия на исследуемых территориях объясняется тем, что с. Жидебай, с. Караул Абайского района и с. Акшатау Аягозского района находятся в юго-восточном направлении розы ветров со стороны бывшего Семипалатинского ядерного полигона и подвержены наиболее сильному загрязнению, передаваемых не только через миграцию их в почве, но и по атмосферному воздуху.

Как видно из таблицы 1 наименьшее содержание исследуемых элементов обнаружено в Урджарском районе. Так, содержание цезия (137Сs) в молоке коров с. Кабанбай составило 0,6 Бк/л, а в пастбищных культурах – 3 Бк/кг, в воде

– 0,2 Бк/л, в почве – 9,0 Бк/кг. В с. Урджар и Науалы в молочном сырье содер-

28

жится по 0,3 Бк/л, а в пастбищных культурах – 1 Бк/кг, в воде – 0, 2 Бк/л, в почве – 4 и 5 Бк/кг соответственно.

На основании анализа полученных данных установлено, что содержание цезия в молоке, как сырье молочного происхождения, исследуемых регионов зависит, прежде всего, от его содержания в пастбищных культурах и в почве. Указанная зависимость свидетельствует об участии в биогеохимической цепи трех факторов почва-растение-сырье молочного происхождения.

На основании проведенных исследований составлена система карт распределения цезия в пробах окружающей среды.

Рисунок 1 - Карта 1. Концентрация цезия-137 в почве

Наибольшая концентрация цезия (18 Бк/кг) наблюдается в селе Караул Абайского района, наименьшая 4 Бк/кг в г. Урджар Урджарского района ВКО.

Абайский район наиболее приближен к территории бывшего Семипалатинского ядерного полигона (карта 1).

Населенные пункты Караул и Кокбай расположены в юго-восточном направлении со стороны бывшего Семипалатинского ядерного полигона, что объясняет приближенные показатели содержания цезия в почве и в растениях исследуемых территорий.

На рисунке 2 представлена карта распределения цезия-137 в растительности.

Наибольшая концентрация цезия (4 Бк/кг) наблюдается в селе Кокбай Абайского района, наименьшая 1 Бк/кг в г. Урджар и Науалы Урджарского района ВКО.

29