Молочная сыворотка в качестве растворителя среднемолекулярного хитозана

Продукты переработки молока являются составной частью питания, обеспечивающей организм белком и жиром животного происхождения, углеводами, различными микро- и макроэлементами.

Эффективность молочного производства в значительной мере зависит от рационального использования вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), в первую очередь сыворотки, являющейся жидким производственным стоком при выпуске кисломолочных продуктов (творога, сыра) [1].

В литературных источниках рассматриваются научно-исследовательские и конструкторские работы по разработке и совершенствованию технологических процессов, созданию необходимого оборудования и специализированных производств по переработке молочной сыворотки. В настоящее время из молочной сыворотки получают сгущенные и сухие концентраты, выделяют сывороточные белки, производят молочный сахар; ее используют в процессе изготовления спирта, при производстве хлебобулочных и кондитерских изделий, а также кормов. Из молочной сыворотки извлекают отдельные компоненты для использования в профилактических и лечебных целях, в парфюмерной промышленности и др. [2].

Сведений об использовании сыворотки в качестве растворителя биополимеров в литературных источниках не найдено. Исходя из состояния молокоперерабатывающих производств, в процессе которых сыворотка сливается в канализацию, указанное направление является весьма актуальным, представляющим научный и практический интерес.

Поскольку биополимер хитозан растворяется в разбавленных растворах органических кислот, а молочная сыворотка содержит молочную кислоту, то применение ее в качестве растворителя указанного биополимера представлялось новым решением экологической проблемы молочного производства, с одной стороны, и замены уксусной кислоты, используемой в качестве растворителя хитозана, – с другой.

Исследователями установлено, что низкомолекулярный водорастворимый хитозан (Мм 10 кДа) имеет широкое направление использования ¹ , включая применение в качестве биостимулятора роста бахчевых растений [1].

Указанный вывод предопределил цель исследования, которая заключалась в установлении возможности использования молочной сыворотки в качестве растворителя хитозанов с разными молекулярными массами (Мм).

Материалы и методы

В качестве материалов использовались молочная сыворотка, образующаяся в процессе приготовления творога торговой марки "Ярушко" (ООО "Профессор Белов") в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53438-2009; образцы хитозана среднемолекулярного (Мм от 25 до 48,7 кДа), их растворы в молочной сыворотке.

Отбор и подготовка к анализу проб сыворотки проводились по ГОСТ 26809-86, ГОСТ Р 53430-2009.

Массовые доли сухих веществ в сыворотке устанавливались по ГОСТ 3626, белка – ГОСТ Р 53951-2010, жира – ГОСТ 5867-90. Титруемая кислотность анализировалась по ГОСТ 3624-92, активная кислотность – ГОСТ Р 53359-2009.

Определение размеров частиц хитозана проводилось просеиванием через сита диаметрами от 0,5 до 3 мм. Динамическая вязкость растворов хитозана в молочной сыворотке определялась с помощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-4 (диаметр капилляра 2,37 мм). Степень деацетилирования хитозана устанавливалась методом кондуктометрического титрования [3].

Результаты исследований и их обсуждение

Отбор проб сыворотки, образующейся при изготовлении творога, осуществлялся на этапе технологической операции "прессование сгустка".

В табл. 1 приведена характеристика органолептических показателей образца сыворотки в сравнении с требованиями ГОСТ 53438-2009 "Сыворотка молочная. Технические условия".

Таблица 1

Характеристика органолептических показателей сыворотки

Наименование показателя	Характеристика сыворотки
	Требования ГОСТ 53438-2009	Исследованный образец
Внешний вид и консистенция	Однородная жидкость. Допускается наличие белкового осадка	Однородная жидкость, без белкового осадка
Цвет	Бледно-зеленый	Бледно-зеленый
Вкус и запах	Свойственный молочной сыворотке, сладковатый	Свойственный молочной сыворотке, сладковатый

На основе данных, указанных в табл. 1, сделан вывод, что отобранный образец сыворотки, образующейся в процессе приготовления творога торговой марки "Ярушко" (ООО "Профессор Белов"), по органолептическим показателям (внешнему виду и консистенции, цвету, вкусу и запаху) соответствует требованиям ГОСТ 53438-2009.

В табл. 2 приведена характеристика физико-химических показателей образца сыворотки.

Таблица 2

Характеристика физико-химических показателей образца молочной сыворотки

Наименование показателя	Характеристика
	Требования ГОСТ 53438-2009	Исследованный образец
Массовая доля сухих веществ, %, не менее	5,6	5,0
Кислотность, ° Т, не более	70	59
Концентрация молочной кислоты, %	–	0,98

Из данных табл. 2 следует, что исследуемый образец сыворотки по уровню содержания сухих веществ не соответствует требованиям стандарта, кислотность не превышает нормы, установленные ГОСТ 53438-2009.

Сыворотка может иметь разный уровень содержания сухих веществ: не менее 5 %, что разрешено стандартом для использования в пищевых целях2. Исходя из направления применения сыворотки в качестве растворителя, возникла необходимость ее предварительной подготовки с целью приведения содержания сухих веществ до уровня, обеспечивающего прозрачность. Из известных методов подготовки сыворотки можно применять физические, основанные на осаждении содержащихся в ней сухих веществ, например центрифугирование, химические методы осаждения с использованием кислот или щелочей, также возможен метод разбавления сыворотки водой.

В проведенных опытах по установлению растворимости хитозанов с различными молекулярными массами была использована сыворотка, уровень содержания сухих веществ в которой составляет не более 5 %.

В ходе исследования был изучен химический состав отобранной пробы сыворотки. При этом установлено, что сыворотка содержит воду (95 %), углеводы (3,77 %), белки (0,89 %), липиды (0,13 %), минеральные вещества (0,48 %).

Анализ данных химического состава указывал на то, что основными сухими веществами сыворотки являются углеводы на уровне порядка 4 % и сывороточные белки (альбумины и глобулины) в количестве не более 1 %.

Для растворения хитозана были использованы четыре образца с различными молекулярными массами, полученные разными способами из среднемолекулярного хитозана и хитина, выделенного из панцирьсодержащего сырья переработки речных раков.

В табл. 3 представлены физико-химические характеристики образцов хитозана, проверенных по их растворимости в молочной сыворотке.

Физико-химическая характеристика образцов хитозанов, использованных при растворении в молочной сыворотке

Таблица 3

Номер образца	Способ получения	Диаметр частиц, мм	Молекулярная масса, кДа	СДА, %
1	Кислотный гидролиз хитозана с Мм 60 кДа в 10%-й HCl при t = 90–95 °С продолжительностью 2 ч	1,0	27,8	83
2	Хитозан, полученный из образца с Мм 60 кДа, способом ферментативного гидролиза папаином (0,4 % к исходной массе) при t = 37 °C продолжительностью 9 ч	2,0	38,1	80
3	Ферментативный гидролиз хитозана с Мм 60 кДа папаином (0,7 % к исходной массе) при t = 37 °C продолжительностью 8 ч	2,0	28,5	87
4	Хитозан, полученный из хитина посредством измельчения, деацетилирования 45%-м раствором NaOH при t = 90–95 °С и ГМ 1:15 продолжительностью 5 ч, промывания до нейтральной реакции среды и последующей сушки до содержания остаточной влажности 10 %	2,0	48,7	85

Подготовленная сыворотка (бледно-зеленого цвета, без белкового осадка с содержанием сухих веществ 5 %, pH = 4,85) нагревалась до 60 ° С. Для растворения хитозана гидромодуль подбирался исходя из уровня сыворотки, покрывающей поверхность образца, с последующим доливом ее по мере набухания образца хитозана (табл. 4).

Таблица 4

Выбор гидромодуля хитозан / сыворотка

Номер образца	Мм, кДа	ГМ (хитозан / сыворотка)	Концентрация хитозана в растворе сыворотки, %
1	27,8	1/100	1,025
2	38,1	1/120	0,8
3	28,5	1/140	0,72
4	48,7	1/140	0,73

Растворение проводилось при постоянной температуре 60 ºC и непрерывном перемешивании. При этом установлен процесс растворимости образцов 3 и 4 продолжительностью 24 ч. Образец 2 растворялся в течение 48 ч. Образец 1 при указанных условиях не растворился.

В табл. 5 приведены характеристики хитозанов, растворившихся в молочной сыворотке.

Таблица 5

№ п/п	Наименование показателя	Сертификат № 22-03 ТУ № 9289-058-04689375-01	Хитозан, полученный способом
			ферментативного гидролиза (Мм 28,5 кДа)	деацетилирования 45 %-м гидроксидом натрия (Мм 48 кДа)
1	Внешний вид	Порошок или чешуйки от белого до желтого цвета	Чешуйки кремового цвета	Порошок кремового цвета
2	Размер частиц, мкм, не более: – порошок – чешуйки	160 3 000	1 000–3000	160
3	Динамическая вязкость раствора хитозана в творожной сыворотке, Па·с	–	0,016	0,331
4	Молекулярная масса, кДа	–	28,5	48,7
5	Степень деацетилирования, %	75	87	85

Характеристики опытных образцов хитозана, растворившихся в молочной сыворотке

Концентрация раствора образца хитозана 3 (Мм 28,5 кДа) составила 0,72 %, pH = 4,85. Полученный раствор представлял собой однородную мутноватую жидкость серо-молочного цвета с запахом сыворотки (динамическая вязкость 0,016 Па·с). Хранившийся при температуре 10 °С раствор оставался стабильным.

Концентрация раствора образца хитозана 4 (Мм 48,7 кДа) в сыворотке составила 0,73 %, pH = 4,85. Полученный раствор – однородная мутная жидкость серо-молочного цвета с запахом сыворотки (динамическая вязкость 0,33 Па·с). В процессе хранения в растворе образовались однородные, распределенные по всему объему мельчайшие кристаллы, свидетельствующие о неполной растворимости образца. Масса нерастворимых частиц хитозана составила порядка 2 %.

Заключение

Исследована возможность использования молочной сыворотки (pH = 4,85, с содержанием сухих веществ не более 5 %, титруемая кислотность 59 °Т) в качестве растворителя хитозана, имеющего разные молекулярные массы (27,8; 28,5; 38,1; 48,7 кДа) и полученного разными способами.

Установлено, что обработка среднемолекулярного хитозана (Мм 60 кДа) ферментным препаратом папаином (0,7 %) позволяет снизить молекулярную массу до 28,5 кДа, обеспечивающую растворимость его в молочной сыворотке (pH = 4,85, ГМ 1 : 140) с образованием вязкого раствора, стойкого в процессе хранения при температуре окружающей среды.

При указанном способе растворения концентрация хитозана в растворе составляет 0,7–0,75 %.

Выявлено, что способ обработки и молекулярная масса среднемолекулярного хитозана влияют на растворимость хитозана в сыворотке и стойкость раствора при хранении.