способ регулирования кислотности молочных и других пищевых продуктов, содержащих водную фазу

Формула изобретения

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ КИСЛОТНОСТИ МОЛОЧНЫХ И ДРУГИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ВОДНУЮ ФАЗУ, предусматривающий пропускание продукта через устройство, обеспечивающее получение в камерах кислотной и щелочной групп за счет разложения водной фазы исходного продукта, отличающийся тем, что устройство, обеспечивающее получение в камерах кислотной и щелочной групп, предоставляет собой трехкамерный электродиализный аппарат с чередующимися анионо- или катионообменными и биполярными мембранами, причем анионообменная сторона биполярной мембраны направлена к аноду, при этом продукт пропускают через камеры подщелачивания и/или подкисления, в которые соответственно поступают ионы гидроксила (OH^-1) или водорода (H⁺).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру продукта поддерживают в пределах 8 - 75^oС, а плотность тока - в пределах 20 - 1200 А/м².

Описание изобретения к патенту

Известны способы изменения активной кислотности (подщелачивания и подкисления) с помощью соответственно анионообменных и катионообменных смол (Utilization of resin-neutrilized whey in making cake and bread. Keshavarz E. Nakai S. "Can. Inst. Food Sci. and Technol. J.", 1984, v.17, n.2, p. 107-110; Пат. ЕПВ N 0153967, 1984).

Основные недостатки ионообменных способов регулирования активной кислотности молочного сырья заключаются в больших потерях продукта в межзерновом пространстве ионообменной смолы; повышенном загрязнении продукта химическими компонентами смол из-за большой поверхности контакта; в резком скачке активной кислотности продукта при прохождении ионообменной колонки, что затрудняет плавную регулировку этой величины; в необходимости применения минеральных кислот и щелочей для регенерации ионообменных смол.

Известен также способ получения кислых и щелочных растворов с помощью электродиализа с биополярными мембранами (А. с. 1171050, 1985). Если в электродиализаторе биполярная мембрана расположена анионообменной стороной к аноду, а катионообменной стороной к катоду, то при включении постоянного электрического поля на стыке спрессованных мембран генерируются за счет диссоциации молекул воды ионы водорода и гидроксила, перенос которых под действием электрического поля позволяет получить концентрированные растворы щелочей и кислот. Подробно этот процесс проанализирован в Development of Bipolar Membranes. B. Bauet, F.Jerner H.Stratmann, "Desalination", 1988, v. 68, p. 279-292. Авторами упомянутой статьи предложена схема защелачивания и закисления растворов с помощью четырехтрактного электродиализного аппарата, что технически намного сложнее традиционно используемых трехтрактных моделей электродиализатора и требует дополнительных затрат на мембраны.

Наиболее близким к предлагаемому способу регулирования активной кислотности молочного сырья относится способ [1] согласно которому молочное сырье (сыворотка) обрабатывается в четырехтрактной электролитической ячейке (фиг. 3), ограниченной двумя электродами и разграниченной чередующимися катионо- и анионообменными мембранами на четыре отделения, в которых в анодном отделении (4) происходит генерации ионов водорода, которые переходят в кислотное отделение (5) и соединяются с анионами, перешедшими из сырьевого отделения (6), образуя кислоты; в щелочном отделении ионы гидроксила, генерирующиеся на катоде, соединяются с катионами, переходящими из сырьевого отделения. В результате этих процессов в одном отделении происходит деминерализация сыворотки, а в других отделениях образуется кислота и щелочь.

Получаемые кислоты и щелочи используются для подщелачивания и подкисления той же сыворотки, которая подвергалась обработке в данной электролизной ячейке, и других молочных продуктов.

Недостатки рассмотренного способа следующие: высокая стоимость установки (на каждые три мембраны приходится два дорогостоящих электрода); гораздо меньшая по сравнению с электродиализом плотность упаковки мембран в единице объема; наличие четырех трактов для четырех разных растворов, что усложняет техническое использование оборудования; необходимость защиты производства от взрывоопасных газов кислорода и водорода и дополнительные энергозатраты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Активную кислотность молочных и пищевых растворов регулируют путем пропускания их через одну из камер трехтрактного электродиализного аппарата, в котором генерируются кислотные и щелочные группы за счет разложения воды, при этом раствор пропускают через камеры подщелачивания или подкисления, в которые соответственно поступают гидроксильные ионы (ОН^-) или ионы водорода (Н⁺). В качестве электродиализного аппарата используют аппарат с чередующимися катионообменными и биполярными мембранами или с чередующимися анионообменными и биполярными мембранами, в котором анионообменные стороны биполярных мембран в обоих случаях обращены к аноду. Обработку сырья производят при плотности тока на мембранах 20-1200 А/м² и температуре 8-75^оС.

На фиг. 1 представлен принцип работы электродиализатора с биполярными и анионообменными мембранами; на фиг.2 принцип работы электродиализатора с катионообменными и биполярными мембранами; на фиг.3 принцип работы четырехкратной электролитической ячейки по способу-прототипу.

Генерируемые в биполярной мембране ионы гидроксила (ОН^-) поступают в камеру 2 подщелачивания, а ионы водорода (Н⁺) в камеру 1 подкисления. Восполнение ионов (Н⁺) и (ОН^-) происходит за счет диффузии к внутреннему стыку биполярной мембраны нейтральных молекул воды, где происходит образование заряженных ионов под действием электрического тока. Процесс плавно регулируется токовой нагрузкой и временем обработки.

При первом варианте сборки ЭД-аппарата (фиг.1) из камеры подщелачивания удаляются анионы, в основном ионы хлора (Сl^-), что частично обеспечивает подщелоченный раствор. При втором варианте сборки из камеры подкисления частично удаляются собственные катионы сырья, заменяющиеся ионами водорода (фиг.2), что обуславливает уменьшение содержания воды в подкисленном растворе.

В молочном сырье содержится от 6% (обезжиренное молоко) до 15% (меласса молочного сахара) минеральных веществ в сухом остатке. Этого достаточно, чтобы подщелочить молочное сырье данным методом до рН 10-12 или подкислить до рН 2-4.

Способ осуществляется следующим образом.

Существует 3 пути применения указанных типов электродиализных аппаратов для изменения кислотности пищевых растворов:

1. В случае необходимости одновременного подкисления одной порции пищевого раствора (например, молочной сыворотки) и подщелачивания другой порции указанного или другого вида пищевого раствора первая порция подается в камеры 1 подкисления, а вторая порция в камеры 2 подщелачивания электродиализного аппарата.

В электродную камеру 3 во всех случаях обработки пищевых растворов подается раствор любого электролита, разрешенного для контакта с пищевыми продуктами, например поваренной соли (NaCl).

2. Если целью обработки пищевого раствора является только его подкисление, то указанный раствор подается в камеры 1 подкисления, а в камеры 2 подщелачивания подается раствор пищевого электролита.

3. Для подщелачивания пищевого раствора используют те же типы сборки ЭД-аппаратов с тем отличием, что пищевой раствор подается в камеры 2, а электролит в камеры 1.

Таким образом, обе схемы в предлагаемом изобретении можно использовать как для подщелачивания, так и для подкисления молочного сырья. Различие в их использовании заключается в следующем. Первую схему удобно использовать для подщелачивания молочного сырья при высоком содержании в нем минеральных солей и для подкисления при низком содержании минеральных веществ. Вторая схема удобна для подкисления тех видов молочного сырья (например, мелассы сахара-рафинада), где высоко содержание минеральных веществ, и для подщелачивания, когда молочное сырье содержит незначительное количество минеральных веществ и необходимо введение их дополнительно.

В отличие от прототипа предложенные варианты электродиализного регулирования кислотности молочного сырья характеризуются высокой экономической эффективностью, компактностью оборудования, безопасностью процесса, простотой регулирования кислотности, заключающейся в возможности прервать электродиализный процесс при достижении желаемого уровня кислотности сырья.

П р и м е р 1.

Берут 1000 л обезжиренного молока в исходном значением рН 6,3 и обрабатывают его на электродиализной установке, оснащенной биполярными и анионообмненными мембранами при напряжении на мембранном пакете 220 В и токе 12 А и температуре 25^оС в течение 85 мин, достигая значения рН 10,4, смешивают его с 5 т обезжиренного молока с исходным значением рН 6,3, получают 5990 л молока с рН 6,8, из которого получают 405 кг сухого заменителя цельного молока, что на 68 кг больше по сравнению с использованием традиционного неподщелоченного обезжиренного молока.

П р и м е р 2.

Берут 5000 л казеиновой сыворотки с исходным значением рН 4,3 и подвергают электродиализу по примеру 1 при напряжении 220 В и токе 15 А в течение 94 мин, получают 4950 л сыворотки с рН 6,6.

П р и м е р 3.

Берут 3000 л подсырной сыворотки с рН 6,4 и подвергают электродиализной обработке по примеру 1 при напряжении 220 В и токе 13 А в течение 58 мин, получают 2990 л сыворотки с рН 6,79.

П р и м е р 4.

Берут 5000 л творожной сыворотки с исходным значением рН 4,3 и подвергают электродиализу по примеру 1 при напряжении 220 В и токе 15 А в течение 94 мин, получают 4950 л сыворотки с рН 6,6.

П р и м е р 5.

Берут 2000 л 15%-ного раствора молочного сахара-сырца и подвергают его электродиализной обработке на аппарате по примеру 1 с температурой 75^оС, только направляют этот раствор в камеры подкисления, а электролит в камеры защелачивания. При напряжении 220 В и токе 9 А получают после 95 мин работы 1950 л раствора сахара-сырца с рН 1,2, который затем направляют на получение глюкозогалактозного сиропа кислотным способом.

П р и м е р 6.

Электродиализную установку оснащают биполярными катионообменными мембранами. В камеры подкисления направляют 2000 л мелассы сахара-рафинада. При напряжении на мембранном пакете 220 В и токе 13 А получают после 70 мин работы 1950 л кислой мелассы с рН 1,18, которую направляют на производство глюкозогалактозного сиропа кислотным способом.