СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СУХОЙ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ
METHOD FOR RECOVERY OF WHEY POWDER

Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к области получения молочной сыворотки путем восстановления сухой молочной сыворотки с целью дальнейшего использования восстановленной сыворотки в производстве молочной продукции на ее основе, например сывороточных десертов и напитков.
Способ восстановления сухой молочной сыворотки заключается в замене воды, используемой для восстановления - католитом ЭХА сред, с последующим кратковременным ультразвуковым воздействием на полученный раствор сухой молочной сыворотки с целью его стабилизации.
Прямых аналогов изобретения нет. Существуют изобретения, направленные на восстановление сухого молока.
Известен способ восстановления сухого молока, который предусматривает предварительное измельчение сухого молока, перемешивание последнего с водой с постадийным растворением, при этом с целью сокращения времени восстановления и улучшения качества продукта перед растворением молоко увлажняют до содержания влаги 7-20% в течение 3-20 с, а растворение ведут в три стадии, на первой - содержание влаги доводят до 40-50%, на второй - до 70-75% и на третьей - до 88-92% с выдержкой 5-30 с, при этом на первых двух стадиях растворения осуществляют перемешивание в течение 3-20 с. Описанный способ достаточной трудоемкий виду того, что существует необходимость деления всего объема восстановляемого сухого молока на части в соответствии с процентным соотношением необходимой влаги. Кроме того, указанный способ нельзя применить для способа восстановления сухой молочной сыворотки [SU 1149923, опубл. 15.04.1985].
В молочной промышленности известен способ восстановления сухого молока, который включает в себя растворение сухого молока в воде с постоянным перемешиванием и нагревом. Основным отличием данного способа является то, что нагрев осуществляется до температуры 65-75°C, в дальнейшем смесь выдерживается в течение 30-90 минут с последующим охлаждением до 20-24°C. Благодаря этому происходит набухание белковой фракции и молоко приобретает органолептические свойства, близкие к натуральному молоку. Недостаток данного способа заключается в том, что после нагрева смесь необходимо выдержать 30-90 минут, что влечет за собой дополнительные затраты по времени. Также этот способ требует дополнительных энергозатрат на нагрев и перемешивание [WO 2012121625 А2, опубл. 13.09.2012].
2
Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ восстановления сухого молока [RU 2329650, опубл. 27.07.2008], при котором смесь сухого молока с водой обрабатывают ультразвуком с возникновением эффекта кавитации. Основным условием реализации способа является то, что отношение интенсивности ультразвука, вызывающего кавитацию, к квадрату гидростатического давления в смеси не должно превышать 23 см/(МПа⋅с). Изобретение направленно на получение стабильного, устойчивого к расслоению восстановленного молока при минимальных энергозатратах на восстановление.
Ввиду специфики предлагаемого продукта восстановления - сухой молочной сыворотки - рассмотренный выше способ технологически не применим. Сыворотка молочная сухая по ГОСТ Р 53492-2009 имеет отличный от сухого молока процентный состав нутриентов (табл. 1). При сравнении количества макронутриентов сухой молочной сыворотки и сухого молока (табл. 1) в сыворотке углеводы (лактоза) преобладают над белком, тогда как в сухом молоке они приблизительно равны. Также если принять тот факт, что восстановление сухих продуктов проводят в основном до нативного состояния, то есть смешивают с водой тоже количество сухих веществ, которое присутствовало в натуральном виде, то стоит отметить, что процентный состав сухих веществ натурального молока в два раза превышает количество сухих веществ натуральной сыворотки. Это позволяет прогнозировать, что процесс протекания восстановления сухой сыворотки будет отличен от описанного механизма в прототипе. Вследствие этого применить вышеуказанный способ для восстановления сухой сыворотки без изменения режимов обработки и математического моделирования процесса невозможно. Помимо этого сухая сыворотка в сравнении с сухим молоком обладает повышенной кислотностью и в большинстве случаев для дальнейшего использования ее подвергают раскислению. Для раскисления обычно используются слабые растворы щелочей. Известен способ, при котором раскисление сыворотки проводят 10%-ным раствором гидроокиси натрия до pH 6,5-7,2. Внесение в сыворотку подобных веществ негативно сказывается на показателях безопасности сырья и приготовленной из него готовой продукции.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа восстановления сухой молочной сыворотки, позволяющего получать стабильные, неподверженные расслоению, растворы сухой молочной сыворотки с установленной оптимальной концентрацией сухих веществ, обладающих высокими показателями пищевой безопасности и технологически предпочтительных значений pH.
В предлагаемом способе при решении поставленной задачи достигаются следующие технические результаты:
- повышение стабильности растворов восстановленной сухой молочной сыворотки за счет применения обработки кавитационной дезинтеграцией и использования католита воды;
- регулирование pH восстановленной сухой молочной сыворотки за счет использования католита воды до технологически приемлемых значений.
5
2
Указанный технический результат достигается, тем что способ восстановления сухой молочной сыворотки, включает в себя растворение сухой молочной сыворотки в католите воды с pH 10,5-11,5, при этом концентрация сухой молочной сыворотки в растворе составляет от 5 до 20%, после чего полученный раствор подвергается кавитационной дезинтеграции с интенсивностью ультразвукового воздействия не менее 0,72⋅10 Вт/м и продолжительностью от 10 до 90 с.
Технический результат настоящего изобретения основан на экспериментальных исследованиях и нейросетевом моделировании процесса восстановления сухой молочной сыворотки кавитационной дезинтеграцией (КД) и влияния католита воды. По результатам моделирования получены математические зависимости основных технологических свойств восстановленной сыворотки (активная кислотность, ОВП, вязкость и плотность восстановленных растворов сухой молочной сыворотки) от интенсивности и времени кавитационной дезинтеграции.
Ниже представлен порядок экспериментальных исследований и нейросетевого моделирования процесса восстановления сухой молочной сыворотки.
Объектами экспериментальных исследований являлись восстановленные растворы сухой молочной сыворотки, полученные с использованием католита воды. Католит получали следующим образом: питьевую воду для электрохимической активации (pH 8,53-8,59, ОВП=96±20 мВ) обрабатывали в приборе «Мелеста» в течение 15 минут до достижения величины pH 10,5-10,8, ОВП (-108±20) мВ. Для восстановления использовалась сухая молочная сыворотка по ГОСТ Р 53492-2009.
В работе применялся следующий порядок получения восстановленной сыворотки. Сухую молочную сыворотку предварительно растворяли в католите в соотношении, определяемом требуемой концентрацией раствора - от 5 до 20% сухой молочной сыворотки в объеме раствора. Значения концентраций растворов были определены по результатам анализа рецептур молочных продуктов, вырабатываемых с применением сухой молочной сыворотки.
5
5
2
Полученные растворы подвергались обработке путем кавитационной дезинтеграции на ультразвуковом процессоре «Hielscher Ultrasound UP-400S» разной интенсивности и продолжительности. Ультразвуковой процессор имеет техническую возможность регулировать амплитуду ультразвуковой волны. При максимальной амплитуде возникает максимальная интенсивность. С учетом этого интенсивность регулировалась изменением амплитуды, которая устанавливалась от 20 до 100%, что совпадает с интенсивностью ультразвукового оборудования 0,72⋅10 и 3,6⋅10 Вт/м соответственно. Продолжительность обработки устанавливали в пределах от 10 до 90 секунд. Продолжительность обработки свыше 90 с сопровождается значительным повышением температуры обрабатываемой среды (на 25-30 °C) при максимальной интенсивности обработки, что может привести к процессу агломерации глобул белка, обусловленного их денатурацией.
При планировании и организации исследования применена методика трехфакторного эксперимента на основе греко-латинских квадратов с дальнейшей обработкой в программном комплексе Statistica 8.0.
Полученные экспериментальные данные были обработаны путем построения нейросетевой модели с использованием программного продукта Statistica Neural Networks. Построенная нейросетевая модель представляет собой двухслойный персептрон. При обучении нейросетевой модели был использован алгоритм обратного распространения. В последующем, полученные данные по результатам обучения персептрона были обработаны в программном комплексе Statistica 8.0 и получены уравнения регрессии, адекватно описывающие влияние КД и применение католита воды на процесс восстановления сухой молочной сыворотки (таблица 2).
По итогам анализа всех полученных зависимостей установлено, что оптимальными режимами для восстановления растворов сухой молочной сыворотки методом кавитационной дезинтеграции являются режимы обработки при максимальной интенсивности и продолжительности воздействия от 30 до 50 с и содержании сухой молочной сыворотки от 15 до 17%.
При данных режимах формируется раствор высокой стабильности и качества. Полученные растворы при данной концентрации сохраняли свои свойства и однородность в течение 12 часов. Также следует отметить, что при данных режимах, за счет низких получаемых значений активности воды и ОВП, формируются неблагоприятные условия для развития патогенной микрофлоры.
Физико-химические свойства восстановленного раствора сухой молочной сыворотки указаны в табл. 3.
Органолептические свойства восстановленной и натуральной молочной сыворотки указаны в табл. 4. Внешний вид и консистенция, а также цвет восстановленной молочной сыворотки соответствует натуральной. Ввиду применения католита воды с показателем pH 10,0-11,5 восстановленная молочная сыворотка обладала менее выраженным кислым вкусом, что позволяет ее использовать как основу для производства сладких молочных продуктов.
Для переноса полученных результатов был установлен безразмерный критерий подобия процесса, который вычислялся следующим путем: интенсивность порождающего кавитацию ультразвука, при которой формируется стабильные и высококачественные растворы CMC, умножалась на удельное акустическое сопротивление смеси и делилась на квадрат гидростатического давления в ней. Безразмерный критерий подобия процесса при данном способе не должен превышать 15,5.
5
2
5
6
0,5
5
При применении указанного способа в промышленном масштабе может быть использован индустриальный ультразвуковой процессор UIP4000 фирмы Hielscher systems GmbH с сонотродом KS20d65L6, а для получения католита воды установка «ИЗУМРУД-С-«Три в одном». Для обработки растворов молочной сыворотки заявленным способом, с интенсивностью оборудования 3,6⋅10 Вт/м, значение давления в системе должно быть не меньше (3,6⋅10⋅1,5⋅10/15,5)=1,8⋅10 Па, где 15,5 безразмерный критерий подобия. Данные условия могут быть обеспечены винтовым насосом П8-ОНВ с рабочим давлением 0,2 МПа.