Производные молочного сахара

Из молочного сахара (лактозы) можно получить целую гамму производных — галактозу (медпрепарат), глюкозо-галактозный сироп, лактулозу, лактитол, молочную кислоту, лактаты каль­ция, этанол, метан, полиуретановые пены, лактобионовую кислоту и др. Наибольший практический интерес в настоящее вре­мя представляют глюкозо-галактозный сироп, лактулоза и эти­ловый спирт.

Глюкозо-галактозный сироп. Получают его путем направленного гидролиза молекулы лактозы с получением моноз — глюкозы и галактозы, которые характеризуются большой растворимостью, сладостью и значительным сроком хранения.

Теоретически возможен гидролиз химическими реагентами и специфическим ферментом лактаза (β-галактозидаза), в том числе иммобилизованном на твердом носителе.

Технологический процесс производства глюкозо-галактозного сиропа включает следующие операции: подготовку лактозосодержащего сырья, реагентов и вспомогательных материалов; гидро­лиз лактозы; очистку раствора; концентрирование раствора; фасование, упаковывание и хранение.

Схема технологической линии производства глюкозо-галактоз­ного сиропа приведена на рисунке.

Рис. Схема технологической линии производства глюкозо-галактозного сиропа:

1 — насос; 2 — емкость для хранения сыворотки; 3 — вакуум-выпарная установка; 4— ванна для отваривания альбумина; 5 — сепаратор; 6 —реактор; 7—воздушный компрессор; 8— бал­лон с соляной кислотой; 9 — монжю для хранения соляной кислоты; 10— электродиализная установка; 11 — насос; 12 — фильтр-пресс

 

Ультрафильтрат молочной сыворотки подсгущают до массовой доли сухих веществ 18...22 % и очищают от оставшихся азотосодержащих соединений тепловой денатурацией при 93...97 °С с подкислением соляной кислотой до рН 4,6±0,05 и выдержкой 15...20 мин с последующим сепарированием. В очищенный под сгущенный фильтрат вносят соляную кислоту из расчета 21 ± 0,2 дм³ на 1 т с доведением до рН 1 ± 0,5, вьщерживают при температуре 97 ± 2 °С в течение 4 ч, охлаждают до 23 ± 2 ⁰С. Кислотность гидролизата должна быть не более 12 °Т. Деминерализуют его до уровня 70 ± 5 % и сгущают до 50 % сухих веществ (плотность 1200 кг/м³). Сироп осветляют (рафинируют) сорбентами — осветляющим углем (2 %) и диатомитом (1 %) при температуре 75 + 5 °С, выдерживают в течение 10...15 мин и фильтруют через ткань. Готовый продукт хранят при температуре 10...30 °С не более 30 сут.

Более известна в мире и практически отработана в России (Ю. Я. Свириденко с сотрудниками) технология ферментативного гидролиза лактозы. Исходным сырьем для гидролиза могут служить творожная и подсырная сыворотки, ультрафильтрат и раствор молочного сахара. Гидролиз осуществляют в реакторе иммобилизованной (3-галактозидазой (лактазой) «Галактосил». Степень гидролиза должна составлять 75 ± 5 %. Обычно про­цесс проходит непрерывно в течение 20 ± 2 ч, затем фермент подвергают санации 0,5 М раствором уксусной кислоты, после чего гидролиз возобновляется. Фермент заменяют, когда эффективность процесса становится ниже 0,9 ± 0,1 ч^-1. Фильтрат после гидролиза деминерализуют (50...90 %) и концентрируют до 60±2 % сухих веществ. Сироп гидролизованной лактозы (СГЛ) представляет собой вязкую однородную жидкость желто-коричневого цвета со следующими физико-химическими пока­зателями (%):

Массовая доля сухих веществ, % 60

В том числе:

глюкозы    20,7

галактозы 20,7

лактозы     11,9

азотистых веществ 11,15

Зольность (%) при степени деминерализации, %:

50   4,0

50   2,5

90   1,0

Срок хранения СГЛ составляет 1...2 мес в зависимости от сте­пени деминерализации.

Лактулоза. Специальными исследованиями установлено, что дисахарид лактулоза (фруктозо-галактозид) — активный бифидогенный фактор женского молока. Для оптимизации рецептуры про­дуктов детского питания на молочной основе в коровье молоко необходимо вводить лактулозу. Кроме того, лактулозу широко применяют во многих странах мира как профилактическое и терапевтическое средство, особенно в случае дисбиотических явлений. Лактулозу можно использовать в пищевых продуктах как хорошо растворимый подсластитель, в алкогольных и безалкогольных напитках с целью минимизации их токсического действия, а также в качестве кормовых добавок и в рецептурах ЗЦМ для предупреждения дисбактериоза у молодняка сельскохозяйственных животных.

Лактулозу можно получить из лактозы путем перегруппировки а-глюкозы во фруктозу. Механизм перегруппировки трактуется по-разному. В слабощелочной среде глюкоза может трансформироваться во фруктозу по механизму LA-трансформации через енольную форму, а также перегруппировкой по Амадо-ри с образованием промежуточного продукта лактозиламина. Известен синтез лактулозы в растворах лактозы изомеразами микробного происхождения.

В нашей стране и за рубежом проведены разработки по получению лактулозы в жидком (сиропы) и сухом виде на основе лактозы.

Технологический процесс производства сиропов лактулозы по С. А. Рябцевой (СевКавГТУ) включает следующие операции: приемку и подготовку молочного сахара, реагентов и вспомогательных материалов; растворение молочного сахара; рафинацию и фильтрацию раствора; изомеризацию лактозы в лактулозу; деминерализацию раствора; одно- или двукратное сгущение раствора, кристаллизацию и отделение кристаллов лактозы; тепловую обработку; фасо­вание, упаковывание и хранение. Схема технологической линии производства сиропа лактулозы показана на рисунке.

Рис. Схема технологической линии производства сиропов лактулозы:

1 — реактор; 2— сепаратор; 3 — фильтр-пресс; 4— насос; 5—промежуточная емкость; 6— электродиализная установка; 7—ионообменная установка; 8 —вакуум-выпарная установка; 9 — кристаллизатор-охладитель; 10— центрифуга; 11 — бункер для кристаллов лактозы

Условные обозначения:

(1)— сахар-сырец; (2) — вода; (3) — раствор лактозы; (4) — белковая масса; (5) — реагенты; (6) — адсорбенты; (7) — меласса; (8) — сахар-рафинад; (9)— раствор лактолактулозы; (10) — деминерализованный раствор; (11)—сироп лактолактулозы; (12)—кристаллы лактозы; (13) — сироп лактулозы

 

В качестве исходного сырья для производства лактулозы используют молочный сахар (рафинированный, пищевой и сырец) не ниже высшего сорта. Растворяют сахар в нагретой до 85...90 ⁰С воде при постоянном перемешивании. Массовая доля сухих веществ 20...25 %, что соответствует плотности 1055 ± 5 кг/м³ при 70 °С. Раствор молочного сахара выдерживают при температуре 90 °С в течение 10...15 мин. При использовании молочного сахара-сырца рекомендуется центробежная очистка раствора для удаления взвешенного осадка и механических примесей. Очистку осуществляют на саморазгружающемся сепараторе типа ОТС с периодической разгрузкой через каждые 15...25 мин. Полученный осадок используют в кормовых целях. Растворение молочного сахара возможно в чистом конденсате или щелочной фракции электроактивированной воды (ЭЛА-вода) — католит.

Изомеризацию лактозы в лактулозу проводят в щелочной среде при рН 11... 12 путем введения 0,27 ± 0,02 % гидроксида натрия п виде 40%-ного раствора для пищевых сиропов или 0,40 ± 0,05 % гидроксида кальция в виде свежеприготовленного известкового молока для кормовых добавок. Оптимальный режим изомериза­ции: температура 85...95°С, время выдержки 5...7 мин с быстрым (резким) охлаждением до 15...25°С, что исключает автокаталитический распад углеводов и нарастание цветности раствора. В случае невозможности быстрого охлаждения раствор необходимо подкислить до рН 7,0...8,0 лимонной или молочной кислотой для пищевых сиропов, кислой сывороткой для кормовых добавок. В процессе изомеризации до 30 % лактозы трансформируется в лактулозу. В результате получается раствор лактолактулозы, содержа­щий около 7 % лактулозы и 15 % непрореагировавшей лактозы, а также балластные вещества — минеральные соли (0,7 %), азотистые соединения (0,3 % азота) и красящие соединения, в основном меланоидины.

Деминерализацию проводят для пищевых сиропов при температуре 18...22 ⁰С до уровня обессоливания 70...75 % на электродиализных установках по режимам производства деминерализован­ной сыворотки. Более глубокое обессоливание, например для детского питания на уровне 90 %, можно проводить ионообменной обработкой на смолах КУ-2-8 и ЭДЭ-10П, как и при производстве молочного сахара.

Рафинацию осуществляют при 20...30 °С путем внесения активного угля (1,5 %), молотого диатомита (0,15 %) и гидросульфита натрия (0,01 %). Дозу реагентов рассчитывают по отноше­нию к лактозе. Раствор выдерживают при перемешивании

10...15 мин и фильтруют через ткань «бельтинг» с намытым слоем молотого диатомита. Фильтрат лактолактулозы сгущают в вакуум-аппаратах при температуре 55...65 °С до массовой доли сухих веществ 55...60 %, что соответствует плотности 1245 ± 5 кг/м³. Сгущенный сироп подогревается до 70 °С и направляется на кри­сталлизацию.

Кристаллизацию лактозы проводят для увеличения доли лактулозы в готовом продукте по режиму: охлаждение при постоянном медленном перемешивании массы со скоростью 2...3 °С в 1 ч до температуры 8...10 ⁰С и с последующей выдержкой при этой температуре в течение 10... 12 ч.

Выделившиеся кристаллы лактозы отделяют центрифугированием на аппаратах фильтрующего типа и промывают небольшим количеством холодной воды. Кристаллический осадок молочного сахара используют для растворения в замкнутом цикле производ­ства сиропов лактулозы.

При необходимости (в зависимости от требований потребителей к качеству сиропов лактулозы) проводят повторную деминера­лизацию (для детского питания и фармацевтики), сгущение (пищевые продукты и напитки) с кристаллизацией и отделением кри­сталлов. Повторное сгущение проводят до массовой доли сухих веществ 65...70%, что соответствует плотности 1280 ± 10 кг/м³. Для интенсификации процесса кристаллизации вносят затравку мелкокристаллической лактозы в количестве 0,3...0,5 % массы сиропа. Конечная температура охлаждения составляет 5 ⁰С с после­дующей выдержкой до 10 ч, что предотвращает выпадение осадка при хранении сиропов лактулозы.

Тепловую обработку сиропов лактулозы осуществляют при тем­пературе 70...75 °С в течение 10...15 мин для гарантии микробиологической чистоты, безопасности и длительного хранения.

Фасование сиропа проводят в горячем виде в потребительскую тару (фляги, банки, флаконы).

Продолжительность хранения сиропов лактулозы определяется видом упаковки: в негерметичной таре при температуре 4...8°С состав и свойства продукта не изменяются в течение 12 мес, в герметичной таре — до 5 лет. Сироп лактулозы имеет следующий состав свойства:

 

Сиропы лактулозы используют для получения медпрепаратов, детского и диетического питания, пищевых продуктов и напитков, кормовых добавок.

Получены специальные концентраты лактулозы «Лактусан» и «Алкософт». Изомеризацию лактозы в лактулозу при выработке «Лактусана» проводят в водном растворе лактозы, при выработке «Алкософта» — непосредственно в молочной сыворотке.

Технологический процесс производства сухой лактулозы вклю­чает следующие операции: приемку концентрата лактулозы с определением его показателей качества, подготовку концентрата, нагревание раствора, сушку, охлаждение сухой лактулозы, фасование продукта. Сироп лактулозы после определения его качества разбавляют чистой водой до массовой доли сухих веществ 20...45 % и при необходимости раскисляют. Раствор нагревается до 80...85 °С и подается в распылительную сушилку. Режим сушки: температура воздуха на входе 100...150 °С, на выходе 50...70 ⁰С. Учитывая высокую гигроскопичность порошков сухой лактулозы (индекс гигроскопичности составляет 22,8 %, а, например, для сухого обезжиренного молока — 10,5 %), его охлаждают осушенным воздухом и фасуют в герметичную и влагонепроницаемую тару. На основе су­хой лактулозы и лизоцима разработана технология оригинального препарата «Лаэль».

Этанол. Лактоза может трансформироваться в этиловый спирт (этанол) при ее сбраживании специальными расами дрожжей. Об­щая схема сбраживания представлена ниже:

Наиболее благоприятной средой для брожения считаются УФ-фильтраты. Способность сбраживать лактозу с образованием этилового спирта и диоксида углерода присуща лишь немногочис­ленным представителям дрожжей. Например, по данным проф. В. М. Богданова, 15 штаммов, испытанных им, продуцировали из лактозы от 0,36 до 2,42 % этанола. Для практического использова­ния в настоящее время рекомендуются дрожжи Kluyveromyces fragilis или Candida pseudotropikalis для нативной сыворотки и спе­циально подобранные штаммы дрожжей Kluyveromyces marxianus Пр-8 для подсгущенной сыворотки.

Производство этанола на основе сбраживания лактозы возможно путем использования:

- нативной (неконцентрированной) молочной сыворотки;

- концентратов молочной сыворотки с массовой долей лактозы 15...20%;

- молочной сыворотки с гидролизованной до моноз лактозой;

- молочной сыворотки с иммобилизацией дрожжевых клеток на носителе.

Схема технологического процесса получения этилового спирта из молочной сыворотки включает следующие операции: приемку и подготовку исходного сырья — молочной сыворотки, дрожжей и вспомогательных материалов; очистку молочной сыворотки от казеиновой пыли, молочного жира и сывороточных белков; охлаж­дение до температуры брожения 28...34°С; внесение дрожжевой закваски; сбраживание лактозы; отделение осадка дрожжей; пере­гонку бражки и ректификацию спирта; фасование, упаковывание и хранение готовой продукции.

Схема технологической линии производства этилового спирта из подсырной сыворотки, разработанная ВНИИМСом, приведена на рисунке.

 

Рис. Схема технологической линии производства этилового спирта из подсырной сыворотки:

1 — балансные емкости; 2 —насосы; 3 — теплообменники трубчатые; 4 — ванна для отварива­ния альбумина; 5— сепараторы-очистители с центробежной выгрузкой осадка; 6 — вакуум-вы­парной аппарат; 7— заквасочник для приготовления первичной закваски; 8 — ферментеры для приготовления производственной закваски; 9— бродильные чаны; 10 — перегонная колонка; 11 — дефлегматоры, конденсаторы; 12 — контрольные снаряды; 13 — емкость для бражки; 14— куб ректификационной колонки; 15 — ректификационная колонка

Для производства используют свежую подсырную сыворотку кислотностью не выше 20 °Т, очищенную от казеиновой пыли, молочного жира и сывороточных белков способами, аналогичными используемым при производстве молочного сахара. Осветленную сыворотку охлаждают до 28...34 °С и вносят дрожжевую закваску. При работе с концентрированной сывороткой ее сгущают 3...5 раз в вакуум-выпарных аппаратах.

Вначале готовят лабораторную дрожжевую закваску, а затем производственную. Для активизации роста дрожжей в закваску рекомендуется вносить минеральные соли (сульфат аммония, соли калия и кальция). Рост биомассы происходит при температуре 28...30 ⁰ С, рН 4,5 и обязательном аэрировании воздухом с переме­шиванием смеси. Размножение дрожжей проводят до достижения их концентрации 1,5... 1,7 млрд в 1 см³. Полученную суспензию дрожжей «бродящего типа» используют в качестве посевного ма­териала (закваски). Доза закваски составляет 8...10 % объема ис­ходной сыворотки.

Брожение осуществляют в емкостях (бродильных чанах — ферментерах) с автоматическим поддержанием температуры на уровне 29±1 °С с аэрацией воздухом и перемешиванием. Конец брожения определяют по плотности (остается постоянной в течении 24 ч) и содержанию остаточной лактозы — не более 0,3 %. В питательной среде (бражке) накапливается этанол: при сбра­живании нативной сыворотки — 2...3 %, концентрированной — до 8%.

Для выделения, концентрирования до 96 % и очистки этанола используют брагоперегонные и ректификационные колонны. Пе­ред перегонкой бражки дрожжи рекомендуется отсепарировать и использовать вновь в качестве закваски. Получаемая от перегонки барда содержит азотистые соединения, 3...4 % минеральных солей, молочную кислоту и является ценным кормовым средством (до­бавкой) в жидком, сгущенном или сухом виде.

Практический опыт показывает, что из 1 т подсырной сыворотки на линии можно получить 25 дм³ этилового пищевого спирта крепостью 96 % с незначительным количеством сивушных масел, 30 кг альбуминного творога, подсырные сливки и белковую массу казеиновой пыли, а также до 40 кг кормовых дрожжей и до 60 кг диоксида углерода. По расчетам, при этом высвобождается для пищевых целей 117 кг зерна или 300 кг картофеля. Описанный выше процесс позволяет получать молочную сыворотку, практи­чески полностью освобожденную от лактозы. Спиртовое броже­ние при этом рассматривается как процесс, позволяющий полу­чать пищевую или кормовую дрожжевую массу (белок) и в каче­стве побочного продукта этиловый спирт.

Контрольные вопросы и задания

Сделать конспект в тетради, отправить ответы на вопросы:

1 Назовите виды молочного сахара.

2 Назовите состав, свойства различных видов молочного сахара.

3 Применение различных видов молочного сахара.

4 Составить технологическую схему производства молочного сахара-сырца

5 Каковы особенности технологии молочного сахара рафинированного.

6 Технология производных молочного сахара.