Концентрирование аминокислот творожной сыворотки на керамических мембранах
Автор: Лазарев Владимир Александрович, Тихонов Сергей Леонидович, Тихонова Наталья Валерьевна
Рубрика: Технологические процессы и оборудование
Статья в выпуске: 3 т.5, 2017 года.
Бесплатный доступ
Проведено исследование процесса концентрирования аминокислот свежей творожной сыворотки производства Крестьянского (фермерского) хозяйства Аникьева А.В. (г. Полевской Свердловской области) методом ультрафильтрации на лабораторной (пилотной) установке, включающей модуль с цилиндрическими керамическими мембранами на основе диоксида титана анатазной модификации в количестве 14 элементов, с нанесенным селективным слоем α-оксида алюминия с размерами пор 0,01 мкм, общей площадью мембран 3,34 м2, производства ООО «НПО «Керамикфильтр» (г. Москва). Предварительно установлен химический состав творожной сыворотки до концентрирования, содержание белка на уровне 1 %, лактозы - 4,3 %, жира - 0,5 %, минеральных веществ - 0,7 %. В процессе ультрафильтрации на керамических мембранах белок сконцентрировался в 9,8 раза, при этом массовая доля белка в растворе составила 0,18 %, в осадке - 0,72 %. Средняя селективность мембран КУФЭ-19 (0,01) по белкам творожной сыворотки на уровне 97 %. В исходном растворе сыворотке содержалось 176,67 мг/л, после концентрирования - 279 мг/л, что выше на 58 %. Часть аминокислот, перешедшая в осадок, в расчете не учитывалась. Наибольшую массовую долю в исходном растворе творожной сыворотки составляют: глютаминовая (57,01 мг/л) и аспаргиновая (19,26 мг/л) аминокислоты, лизин (25,16 мг/л), пролин (10,02 мг/л), таурин (9,13 мг/л). Установлено, что наибольшую массовую долю в концентрате сывороточных белков в конечном растворе составляют аспаргиновая (24,19 мг/л) и глютаминовая (65,34 мг/л) аминокислоты, значительно увеличилось количество лизина (с 25,16 до 71,59 мг/л), цистина (с 0,12 до 2,11 мг/л) и глицина (с 0,73 до 8,99 мг/л). Определены коэффициенты концентрирования аминокислот на мембранах КУФЭ (0,01). Установлено, что коэффициент концентрирования цистина (Mr = 240,3 кДа) равен 18, глицина (Mr = 75,1 кДа) - 12, тирозина (Mr = 181,2 кДа) - 0,35, и треонина (Mr = 119,1 кДа) - 0,55.
Молочная промышленность, мембранные методы, ультрафильтрация, керамические мембраны, творожная сыворотка, аминокислоты
Короткий адрес: https://sciup.org/147160854
IDR: 147160854 | DOI: 10.14529/food170305
Текст научной статьи Концентрирование аминокислот творожной сыворотки на керамических мембранах
По статистическим данным, более 80 % населения Российской Федерации потребляют творог и сыр, в процессе производства которых образуется вторичное сырье – молочная сыворотка1. На сегодняшний день в некоторых областях России существует дефицит сырого молока [1], что свидетельствует о целесообразности создания новых белковосодер-жащих продуктов питания на основе вторичного молочного сырья. Инновационный подход в переработке вторичных сырьевых ресурсов и создание на их основе новых молочных продуктов способствуют технической и технологической модернизации отрасли сельского хозяйства [2].
По статистике предприятиями перерабатывается не более 30 % молочной сыворотки, остальные 70 % не находят применения в производственном цикле [3]. Это связано с высокими затратами на переработку и низким уровнем технической модернизации отрасли. Известно, что сыворотка содержит в своем составе ценные для организма человека компоненты. К их числу относятся белок, лактоза, жир, различные минеральные вещества и витамины.
Белок молочной сыворотки, состоящий из β-лактоглобулина, α-лактальбумина и сывороточного альбумина содержит все незаменимые аминокислоты. Существуют различные способы сгущения вторичного молочного сырья. К традиционным относят тепловые методы: в результате высокого температурного воздействия компоненты сыворотки теряют нативные свойства. Такие методы предполагают высокие затраты электроэнергии и подготовку сырья перед обработкой (обезжиривание и отделение твердой фазы). Целесообразнее сгущать творожную сыворотку посредством мембранной технологии. Температурное воздействия при таком концентрировании остается в пределах значения температуры окружающей среды – 25 °С, поэтому ценные компоненты творожной сыворотки остаются в нативном состоянии, а затраты электроэнергии сокращаются [4]. Литературный анализ показывает, что сыворотку рациональнее концентрировать методом ультрафильтрации (УФ), в процессе которой эффективнее всего концентрируются высокомолекулярные компоненты аминокислоты [5–8]. Их селективное извлечение и концентрирование мембранными методами и явилось предметом приведенного исследования.
Исходя из вышеизложенного, целью исследований является исследование процесса и выявление закономерностей концентрирования аминокислот творожной сыворотки мембранными методами.
Материалы и методы
В производственных условиях работа осуществлялась на лабораторной (пилотной) установке, включающей модуль с цилиндрическими керамическими мембранами на основе диоксида титана анатазной модификации в количестве 14 штук, с нанесенным селективным слоем α-оксида алюминия с размерами пор 0,01 мкм, общей площадью мембран 3,34 м2 производства ООО «НПО «Керамик-фильтр» (г. Москва). На стадии ультрафильтрации применены керамические мембраны отечественного производства КУФЭ-19 (0,01). Серия мембран марки КУФЭ (0,01) в сравнении с полимерными мембранами имеет ряд преимуществ:
-
– высокая износостойкость, химическая и термическая стойкость;
-
– длительный срок эксплуатации (3–5 лет);
-
– возможность разделять молочную сыворотку без предварительной подготовки (без осветления раствора) [4, 6–8].
Объекты исследования: свежая творожная сыворотка производства Крестьянского (фермерского) хозяйства Аникьева А.В. (г. Полев-ской Свердловской области).
При выполнении работы использованы общепринятые, стандартные и оригинальные методы исследования. Содержание белка оп- ределяли методом Къельдаля; массовую долю жира – кислотным методом Гербера; массовую долю микроэлементов минеральных веществ – атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе U-2900 Hitachi; массовую долю лактозы – методом Лоренса [9], аминокислотный состав молочной сыворотки – на аминоанализаторе ААА 339 Микротехна, н.п. ПРАГА 4.
Результаты и обсуждение
Подачу сыворотки в ультрафильтрационный модуль пилотной установки осуществляли из творожной ванны. Назначение ультрафильтрационного модуля – разделение молочной сыворотки путем ультрафильтрации на белковый концентрат и пермеат, представляющий собой лактозно-солевой водный раствор. В процессе ультрафильтрационного разделения получен конечный продукт – концентрат сывороточных белков (КСБ), раствор сливочной структуры, белого цвета с содержанием сухих растворенных веществ в количестве 17 % и пермеат, представляющий собой прозрачный раствор со слабым по окраске желто-зеленым цветом. Содержание основных компонентов в творожной сыворотке до и после ультрафильтрационного концентрирования представлено в табл. 1 и 2.
Анализ табл. 1 и 2, показывает, что после ультрафильтрации творожной сыворотки на керамических мембранах КУФЭ-19 (0,01) общий белок сконцентрировался в 9,8 раза, при этом селективность мембран по белку составила 97 %, в некоторых случаях достигая 98– 99 %. Ввиду особенностей работы аминоанализатора ААА 339 Микротехна, н.п. ПРАГА 4 анализу подвергалась только та часть аминокислот, которая находилась в растворенном виде. Осадок белкового концентрата творожной сыворотки на содержание аминокислот в данном исследовании не анализировался.
Результаты анализа аминокислотного состава белкового раствора исходной и концентрированной творожной сыворотки представлены в табл. 3.
Общее количество аминокислот без учета триптофана в исходной творожной сыворотке составляет 176,67 мг/л, после концентрирования – 279 мг/л, что на 58 % выше.
Как показали результаты анализа аминокислот, наибольшую массовую долю в исходном растворе творожной сыворотки составляют: глютаминовая (57,01 мг/л) и аспаргино-вая (19,26 мг/л) аминокислоты, лизин (25,16 мг/л), пролин (10,02 мг/л), таурин (9,13 мг/л).
Таблица 1
Среднее содержание основных компонентов в творожной сыворотке К(Ф)Х Аникьева А.В., г. Полевской
Параметры |
Содержание веществ, % |
|
Белок |
раствор |
0,18 ± 0,02 |
осадок |
0,72 ± 0,12 |
|
Лактоза |
4,3 ± 0,02 |
|
Жир |
0,4 ± 0,05 |
|
Минеральные вещества |
0,7 ± 0,05 |
|
Сухие вещества |
6,3 ± 0,22 |
Таблица 2
Состав творожной сыворотки производства К(Ф)Х Аникьева, г. Полевской после ультрафильтрационного концентрирования
Параметры |
Сыворотка творожная, % |
|
концентрат |
пермеат |
|
Белок общий |
8,45 ± 0,12 |
следы |
Лактоза |
4,27 ± 0,02 |
4,25 ± 0,02 |
Жир |
3,30 ± 0,05 |
не обнаруж. |
Минеральные вещества |
0,70 ± 0,05 |
0,65 ± 0,05 |
Сухие вещества |
16,72 ± 0,22 |
4,91 ± 0,22 |
Таблица 3 Содержание аминокислот в исходной и концентрированной творожной сыворотке К(Ф)Х Аникьева, г. Полевской
Наименование аминокислоты |
Количество вещества, мг/л |
Коэффициент концентрирования |
Массовая доля, % |
кДа |
|
до |
после |
||||
Аланин |
3,86 |
7,95 |
2,06 |
4,2 |
89,1 |
Аргинин |
7,78 |
7,90 |
1 |
2,13 |
174,2 |
Аспаргиновая |
19,26 |
24,19 |
1,26 |
8,61 |
132,1 |
Валин |
6,29 |
10,37 |
1,65 |
4,16 |
117,1 |
Гистидин |
6,68 |
5,59 |
0,84 |
1,7 |
155,2 |
Глицин |
0,73 |
8,99 |
12,3 |
5,63 |
75,1 |
Глютаминовая |
57,01 |
65,34 |
1,14 |
21,02 |
147,1 |
Изолейцин |
2,84 |
6,23 |
2,19 |
2,23 |
131,2 |
Лейцин |
4,43 |
9,57 |
2,16 |
3,43 |
131,2 |
Лизин |
25,16 |
71,59 |
2,84 |
23,02 |
146,2 |
Метионин |
0,39 |
0,36 |
1 |
0,12 |
149,2 |
Пролин |
10,02 |
24,54 |
2,44 |
10,02 |
115,1 |
Серин |
7,12 |
9,51 |
1,33 |
4,25 |
105,1 |
Таурин |
9,13 |
8,37 |
0,9 |
3,14 |
125,2 |
Тирозин |
2,81 |
0,99 |
0,35 |
0,26 |
181,2 |
Треонин |
0,73 |
0,40 |
0,55 |
0,16 |
119,1 |
Фенилаланин |
4,20 |
1,66 |
0,39 |
0,47 |
165,2 |
Цистин |
0,12 |
2,11 |
17,58 |
0,41 |
240,3 |
Цистеиновая |
6,91 |
11,73 |
1,69 |
4,55 |
|
Цитруллин |
1,20 |
1,81 |
1,5 |
0,49 |
175,2 |
ВСЕГО |
176,67 |
279,2 |
1,58 |
100 |
По результатам ультрафильтрации творожной сыворотки производства К(Ф)Х Аникьева А.В., г. Полевской рассчитаны коэффициенты концентрирования аминокислот на мембранах КУФЭ (0,01). Установлено, что наибольшую массовую долю в концентрате сывороточных белков в конечном растворе составляют аспаргиновая (24,19 мг/л) и глютаминовая (65,34 мг/л) аминокислоты, значительно увеличилось количество лизина (с 25,16 до 71,59 мг/л), цистина (с 0,12 до 2,11 мг/л) и глицина (с 0,73 до 8,99 мг/л). Возможно, полученные результаты объясняются реакциями превращения аминокислот. Например, предшественниками глютаминовой кислоты являются пролин и гистидин [10], в связи с превращениями последних массовая доля глютаминовой кислоты достаточно велика. Цистеиновая аминокислота - промежуточный продукт окисления цист(е)ина [11], возможно, что цистеин окислился полностью и часть его перешла в цистеиновую кислоту, а часть образовала цистин. Коэффициент концентрирования цистина (Mr = 240,3 кДа) равен 18, глицина (Mr = 75,1 кДа) - 12, тирозина (Mr = 181,2 кДа) - 0,35, и треонина (Mr = = 119,1 кДа) - 0,55.
Причиной отличия коэффициента концентрирования аминокислот, на наш взгляд, может служить различная молекулярная масса аминокислот и изменение конформации молекул в зависимости от условий: давления, температуры, гидродинамических условий в потоке. Немаловажным фактором при концентрировании аминокислот на мембранах КУФЭ (0,01) является наличие связанных аминокислот, за счет чего их молекулярная масса и размер молекул отличаются от аминокислот в свободной форме.
На основании полученных данных мембрану КУФЭ-19(0,01) можно рекомендовать для концентрирования лизина, цистина, глицина и таурина.
При подборе определенных типов и марок мембран, а также гидродинамических и температурных условий возможно достигнуть более высоких значений коэффициента концентрирования аминокислот. Представляется интересным выявление закономерностей концентрирования и разработка способов селективного извлечения незаменимых аминокислот, содержащихся в молочной сыворотке.
Список литературы Концентрирование аминокислот творожной сыворотки на керамических мембранах
- Крапчина, Л.Н. Инновации в производстве молочной продукции -основа конкурентоспособности отечественных предприятий/Л.Н. Крапчина, Л.Г. Котова//Продовольственная политика и безопасность. -2015. -Т. 2, № 2. -С. 59-76.
- Инновационные подходы в технологии молочных продуктов на основе эффектов кавитации/О.Н. Красуля, И.Ю. Потороко, О.В. Кочубей-Литвиненко, А.К. Мухаметдинова//Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». -2015. -Т. 3, № 2. -С. 55-63.
- Концентрирование аминокислот молочной сыворотки баромембранными методами/В.А. Лазарев, В.А. Тимкин, Г.Б. Пищиков, О.А. Мазина//Аграрный вестник Урала. -2016. -№ 1 (143). -С. 33-36.
- Studies on the separation of proteins and lactose fromcasein whey by cross-flow ultrafiltration/A. Nath, S. Chakrabortya, C. Bhattacharjeea, R. Chowdhury//Desalination and Water Treatment. -2015. -V. 54. -P. 481-501.
- Маркелова, В.В. Разработка технологий пробиотических продуктов из молочной сыворотки, ферментированной экзополисахарид-продуцирующими штаммами L. Acido philus: автореф. дис. … канд. техн. наук/В.В. Маркелова. СПб., 2013. -С. 3.
- Гараева, С.Н. Аминокислоты в живом организме/С.Н. Гараева, Г.В. Редкозубова, Г.В. Постолати. -Кишинев, 2009. -С. 68-87.
- Arunkumar, A. Negatively charged tangential flow ultrafiltration membranes for whey protein concentration/A. Arunkumar, M.R. Etzel//Journal of Membrane Science. -2015. -V. 475. -P. 340-348.
- Baldasso, C. Concentration and purification of whey proteins by ultrafiltration/C. Baldasso, T.C. Barros, I.C. Tessaro//Desalination. -2011. -V. 278. -P. 381-386.
- Методы исследования молока и молочных продуктов/под общ. ред. А.М. Шалыгиной. -М.: Колос, 2000. -368 с.
- Плешков, Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений/Б.П. Плешков; под ред. д-ра хим. наук, акад. ВАСХНИЛ В.М. Клечковского. -М.: Колос, 1965. -С. 257.
- Дэвени, Т. Аминокислоты, пептиды и белки/Т. Дэвени, Я. Гергей; пер. с англ. к.м.н. А.Н. Маца; под ред. и с предисл. д.б.н. Р.С. Незлина. -М.: Мир, 1976. -С. 33-35.