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.