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.