Современные технологии производства лактулозы и направления ее использования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства российской федерации

ФГОУ ВПО « Кубанский государственный аграрный университет»

Факультет Перерабатывающих технологий

Кафедра биотехнологии, биохимии и биофизики

Современные технологии производства лактулозы и направления ее использования

Реферат

Лактоза, лактулоза, молочные продукты, технология производства, контроль. лактулоза ингибирующий соя

Цель работы - оценка влияния семян сои с различной сортовой принадлежностью и ингибирующей активностью, после температурной обработки, на качество колбасных изделий, при частичной замене мясного сырья соевым сырьем, в количестве 3%.

Проведен литературный анализ различных сортов соевых бобов, их влияния на качественные характеристики мясных изделий.

Выработаны опытные образцы варено-копченых колбасных изделий с использованием в рецептуре соевого сырья.

Проведены исследования влияния соевого сырья на качественные характеристики изделий: содержание белка, жира, влаги, золы, органолептические свойства.

Содержание

Введение

1. Технико-экономическая эффективность современных технологий производства лактулозы

1.1 Физико-химические свойства лактулозы

1.2 Направления использования лактозы и лактулозы, их установленная биологическая ценность

1.3 Обоснование технико-экономической эффективности производства лактулозы

Заключение

Список использованных источников

Введение

Целесообразность разработки технологии лактозы пищевой связана с маркетингом готового продукта.

Уникальные физико-химические свойства лдактозы, высокая пищевая и биологическая ценность обусловили ее широкое применение. Основными потребителями лактозы являются фармокопия, медицинская промышленность, микробиология, аналитическая химия, производство кормовых витаминов и др. Основной областью применения лактозы в пищевой промышленности является производство детского питания и заменителей женского молока.

Лактоза применяется при изготовлении: горького шоколада, джемов, мармелада, бисквитов, конфет, глазури, диабетических продуктов, мясных изделий. Молочный сахар является одним из основных сырьевых ресурсов лактулозы.

За рубежом выпускаются продукты, содержащие лактулозу, которые используются в детском, диетическом и профилактическом питании, а также при лечении и предупреждении печеночной недостаточности, заболевании желудочно-кишечного тракта, синдромах РЕЙЕ и ПСЭ, а в последние годы в гериатрической практике, обеспечивающей долголетие человеку.

В настоящее время в мире общий обьем производства лактулозы составляет около 20000 тонн в год. Крупнейшим производителем лактулозы в мире является фирма «Solvay» в Нидерландах, производящая около 10000 тонн продукта ежегодно.

В России в 1997 году появились отечественные производители лактулозы - ЗАО «Лактусан» ЗАО «Фелинцита», которые запантовали сиропы «Лактусан» для пищевой промышленности и «Адкософт» для производства алкогольных и безалкогольных напитков.

1. Технико-экономическая эффективность современных технологий производства лактулозы

1.1 Физико-химические свойства лактулозы

Лактулоза относится к классу олигосахаридов и подклассу дисахаридов, т.к. ее молекула состоит из остатков галактозы и фруктозы. Химическое название лактулозы по современной номенклатуре -4-О-в-D-галактопиринозил-D-фруктоза или в сокращенной форме в-D-Gal-(1-4)-в-D-Fru. Структура молекулы лактулозы может быть представлена в виде формул Хеуроса или Фишера.

Физико-химические свойства углевода существенно зависят от конформации молекул. Теоретически существует 5 возможных изомерных форм лактулозы: б и в-пиранозная, б- и в-фуранозная и ациклическая. Методом ЯМР- спектроскопии кристаллической лактулозы в ангидридной форме, полученной тремя различными методами, было установлено, что во всех образцах в-фруктофуранозная форма преобладает над б-фруктофуранозной и в-фруктопиранозной при соотношении соответственно 0,745:0,100:0,155. Хотя исследователи и не обнаружили следов двух других форм, они считают, что в водном растворе в равновесии с ациклической формой должны находится все четыре циклических изомера (таблица 1).

Таблица 1 - Соотношение аномерных форм в образцах лактулозы

Лактулоза представляет собой белое кристаллическое вещество, не имеющее запаха, хорошо растворимое в воде и сладкое на вкус. Ее можно перекристаллизировать из 50%-ного метанола в виде гексагональных бесцветных пластин, при этом получается ангидридная форма. В последние годы при кристаллизации лактулозы из водного раствора была получена тригидратная форма. Ангидридная форма очень гигроскопична - при З00С и влажности 81% уже через 24 ч влажность кристаллов повышается до 7%, а через 48 часов доходит до 20%. Кристаллы тригидрата в тех же условиях не меняют своих свойств, но теряют кристаллизационную воду при нагревании выше З50С, поэтому их рекомендуется хранить при низких температурах.

Результаты изучения кристаллической структуры методом рентгеноструктурного анализа показали, что кристаллы имеют размеры 0,26Ч0,17Ч0,16 мм, а кристаллическая ячейка при 2950К характеризуется следующими параметрами а=9,6251 Е, b=12,8096 Е, с=14,7563 Е, V=1819,4 Е, D=1,447 г/см3. Строение молекулы лактулозы сходно для кристаллов тригидрата и ангидрида: угол конформационной связи Т5-Ж1-Т1-С4 составил -79,90 и -670, а для связи Ж1-Т1-С4-С3 77,90 и 840 соответственно.

Кольцевая конформация молекулы лактозы представлена 4Ж1-пиранозным креслом и 4Т3-фуранозным кольцом. Данные структуры стабилизированы строго упорядоченными межмолекулярными водородными связями, в которые вовлечены все гидроксильные группы, гликозидные кислородные атомы и молекулы воды.

ЯМР-13С спектроскопия кристаллов тригидрата лактуозы позволила установить его отличие от ангидрата по составу аномерных форм. Спектры тригидрата имеют только два четко выраженных резонанса в аномерной области (от 99 до 111 м.д.), которые соответствуют атомам С-2 при 105,3 м.д. и протонизированным атомам С-1 фруктозного изомера при 102,9 м.д., соответствующие в-пиранозной и б-фуранозной форме.

Структурный анализ кристаллов подтвердил наличие в тригидрате лактулозе только одного изомера в-фруктофуранозы.

Поляриметрическим методом было доказано, что при растворении в воде тригидрат быстро мутаротирует с образованием смеси аномерных форм б, в-фуранозы и в-пиранозы.

ЯМР-спектры растворов лактулозы были использованы для точного определения соотношения аномерных форм.

Кристаллические формы лактулозы отличаются по точке плавления и теплоте растворения. Основные физико-химические свойства лактулозы в сравнении с лактозой представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Свойства ангидридной и тригидратной форм лактулозы

Конфигурация и конформация молекулы лактулозы определяет немаловажное потребительское свойство лактулозы как сладость, которая составляет 0,7 в сравнении с сахарозой. Согласно гипотезе Шалленберга о наличии в молекуле подслащивающего вещества специфического звена «АН-В», в которое, за счет водородной связи, взаимодействует с активными центрами рецептора, в молекуле в-D-фруктофуранозы аномерная ОН-группа содержит атом водорода, который имеет наиболее выраженные кислотные свойства и представляет «ан» в системе «АН-В». По аналогии с механизмом сладости фруктофуранозы можно предположить, что гидроксогруппы фруктозного остатка являются причиной повышенной по сравнению с лактозой сладости лактулозы.

Химическая активность лактулозы обусловлена ее строением как восстанавливающего (редуцирующего) углевода, и определяется, прежде всего, концентрацией в растворе ациклической формы. Лактулоза дает реакцию Селиванова на кетозу, восстанавливает раствор Фелинга при нагревании, в отличии от лактозы не окисляется гипоиодитом и бромом. Эти свойства используются для идентификации и выделения лактулозы, а на физико-химических свойствах лактулозы основаны методы ее определения.

1.2 Направления использования лактозы и лактулозы, их установленная биологическая ценность

Лактоза находит широкое применение в разнообразных отраслях промышленности. В фармацевтической промышленности, очищенная лактоза, распылительной сушкой используется главным образом для производства таблеток. Лактоза легко прессуется с необходимыми добавками или диспергируется в летучих соединениях, например в спирте, используемом в качестве транспортной формы соответствующих лекарств, выливается в прессформы и высушивается. Стерилизованная лактоза (горячий воздух при 1400С течение 3 часов) служит в качестве носителя порошковообразных антибиотиков.

Лактоза является одним из основных компонентов сред для ферментации при производстве антибиотиков. это обусловлено природой продуцентов и тем, что лактоза, медленно сбраживаясь, поддерживает необходимую реакцию среды.

Лактоза применяется при составлении при составлении питательных сред для производства ряда ферментов. Лактозу можно использовать для производства молочной кислоты, азотистых веществ, спирта, получения моноз-глюкозы и особенно, галактозы.

Лактозу высокого качества широко используют при производстве заменителей женского молока и продуктов детского питания на молочной основе. Считается, что молочные продукты для детей и особенно детей раннего возраста должны содержать до 7,0% лактозы при соотношении жира и углеводов 1:2.

В молочной промышленности для улучшения органолептических показателей питьевого молока 2% жирности лактоза может добавляться до уровня 6,7%, т.е. в молочные напитки лактозу добавляют вместо жира и белков.

При производстве сгущенного молока с сахаром и смесей для мороженного лактозу после тонкого размола (размер кристаллов - 1мк) используют в качестве затравки для направленного регулирования процесса кристаллизации. Размер кристаллов лактозы в этих продуктах должен быть не более 10 мк, т.к. при этом они органолептически не ощущаются.

В мясной промышленности в качестве источника углеводов для улучшения процесса ферментации можно использовать до 1-2% лактозы.

Одна из областей применения лактозы - ее использование в диабетических кондитерских изделиях (например, коэффициент сладости смеси из 93 г лактозы, 5 г цикламата и 2 г сахарина равняется 100, т.е. соответствует 100 г сахарозы).

Лактозу в качестве ингредиента вводят в специальные диеты, предназначенные для больных и особенно людей пожилого возраста. Например, люди, больные сахарным диабетом, могут употреблять лактозу в больших количествах, чем сахарозу или глюкозу.

Известны случаи применения случаи применения лактозы в зубных пастах в качестве мягкого абразивного средства, а также в сигаретных фильтрах для сорбции никотина. Лактоза сохраняет цвет кондитерских и мясных изделий, препятствует окислению жира и увеличивает стойкость продуктов повышенной жирности при хранении. Считается, что замена 15-20% сахарозы лактозой в кондитерских изделиях и мороженном, улучшает их органолептические показатели. Лактоза сохраняет влагу, исключает инактивацию витамина С и ферментов.

Химичсским активность лактозы позволяет использовать ее при производстве зеркал, изготовлении фейерверков, дымовых завес, в качестве замедлителя сгорания в пиротехнике, в производстве литейных масс, консервировании каучука. Были осуществлены успешные эксперименты по получению из лактозы моющих средств, пластических масс, синтетических волокон, стабилизаторов и загустителей.

Лактозу в небольших количествах, но высокой степени чистоты используют в аналитической химии.

Оригинальным является применение лактозы в рекламе для имитации снега на ветвях деревьев. Кристаллы молочного сахара определенного размера используют в качестве шкалы в зубоврачебной практике.

В настоящее время производное лактозы - лактулоза является признанным бифидусфактором, благодаря чему широко используется во многих странах мира, как профилактическое и терапевтическое средство в ряде заболеваний, особенно в случае формирования дисбиотических явлений. Механизм лечебного действия лактулозы был раскрыт на основе современных научных представлений о роли бифидобактерий в сохранении здоровья человека.

Бифидобактерии выполняют ряд важнейших функций. Они осуществляют физиологическую защиту от проникновения микробов и токсинов во внутреннюю среду организма за счет ассоциации со слизистой оболочкой кишечника и высокой антагонистической активности по отношению к патогенным и условно патогенным микроорганизмам.

Для профилактики и лечения дисбактериозов применяют пребиотики - биопрепараты из нормальной микрофлоры кишечника.

Однако этот путь не всегда дает стабильное улучшение кишечной микрофлоры. Поэтому в последние годы интенсивно развиваются другие направления:

-применение пребиотиков - веществ, способствующих пролиферации и адсорбции бифидо- и лактобактерий в кишечнике;

-использование синбиотиков- комплекса про-пребиотиков.

К эффективным пребиотикам относится лактулоза. Бифидогенные свойства этого углевода были открыты австрийским врачом-педиатром Petuely F., установившим ее корригирующее действие на нарушенный микробиоценоз кишечника новорожденных детей, находящихся на искусственном вскармливании. При этом удалось поднять популяционный уровень бифидобактерий от почти нулевого значения до 80-100%, т.е. до уровня кишечника младенцев, питающихся материнским молоком. Когда детей кормили обычными смесями для детского питания или разбавленным на 2/3 коровьим молоком с добавкой 5% лактозы, содержание бифидобактерий составляло только 20% от общего количества микроорганизмов. При добавлении к молоку 2% лактулозы доля бифидофлоры возрастала до 90-95%.

Еще в СССР, прошли клиническую апробацию продукты детского питания, в состав которых были включены лакто-лактулоза и лактулоза. наиболее благоприятное влияние на характер микрофлоры кишечника детей первых месяцев жизни отмечено при добавлении к ионитному молоку лакто-лактулозы. При этом развивались те виды и штаммы бифидобактерий, которые были характерны для кишечника младенцев, вскармливаемых грудным молоком. Аналогичные данные были получены при клинической апробации смеси «Виталакт» с лактулозой. Кишечная микрофлора и содержание органических кислот в фекалиях детей, вскармливаемых этой смесью, были аналогичны этим показателям у младенцев, питающихся молоком матери. Кроме этого, лизоцимная активность, соотношение азота жирных кислот и неорганических солей являлись оптимальными.

В настоящее время доказано, что положительное влияние лактулозы на организм человека и животных обусловлено стимулированием развития бифидофлоры. В общем виде механизм бефидогенности лактулозы представлен следующим образом (рис.1). Лактулоза употребляемая орально, не расщепляется в верхнем отделе ЖКТ из-за отсутствия необходимых для этого ферментов. Установлено, что гомогенаты слизистой оболочки кишечника человека, как взрослого, так и ребенка, собак и свиней не спосбны гидролизовать лактулозу более чем в следовых количествах. Это свойство позволяет применять лактулозу в качестве идикатора кишечной проницаемости пациентов с пищевыми аллергиями и при диагностике эндокринных панкриотических дисфункций. Лактулоза проходит транзитом в толстый кишечник, где используется бифидобактериями как источник энергии и углерода.

В результате метаболизма лактулоза превращается в уксусную, молочную и некоторые другие органические кислоты, которые подавляют развитие гнилостной микрофлоры кишечника и подкисляют содержимое кишечника.

Первым промышленным применением уникальных физиологических свойств лактулозы стало производство смесей для детского питания, приближeнныx по свойствам к женскому молоку. В последнее время лактулозу все шире используется в медицине.

Наиболее широко известно применение лактулозы при гипераммонемии, печеночной недостаточности и связанной с ней портальной системой энцефалопатии (ПСЭ) - расстройством центральной нервной систем метаболического происхождения, которые могут прогрессировать от легких умственных помешательств до комы. Это связано с продуцированием гнилостными кишечными бактериями аммиака. При нарушении функции печени аммиак поступает в мозг и действует как токсин.

Немаловажным является метаболический сдвиг в сторону повышения кислотности кишечного содержимого при применении лактулозы. Вследствие этого не только снижается активность образования аммиака из аминокислот и мочевины, но и уменьшается всасываемость его в кровь в результате перехода в ионизированную аммонийную форму, не способную проникать через слизистую кишечника. Стимуляция лактулозой синтеза бактериального белка - другая часть механизма снижения уровня аммиака.

Эту способность лактулозы применяют также для повышения выносливости спортсменов на тренировках.

Немаловажным является метаболический сдвиг в сторону повышения кислотности кишечного содержимого при применении лактулозы. Вследствие этого не только снижается активность образования аммиака из аминокислот и мочевины, но и уменьшается всасываемость его в кровь в результате перехода в ионизированную аммонийную форму, не способную проникать через слизистую кишечника.

Стимуляция лактулозой синтеза бактериального белка - другая часть механизма снижения уровня аммиака. Эту способность лактулозы применяют также для повышения выносливости спортсменов на тренировках.

Лактулоза широко используется для преодоления запоров. Внекоторых странах антрахиновые препараты сены заменены на лактулозу как более безвредные.

Установлено, что лактулоза как отдельно, так и в комбинации с бифидобактериями способствует усвоению кальция и повышению прочности костей при остеопорозе.

Еще одним интересным направлением является применение лактулозы для активации иммунитета, подавленного циррозом печени или инфекционными заболеваниями.

Не смотря на тот факт, что большая часть лактулозы не усваивается и минует печень и систему циркуляции, все же в небольших количествах (0,25-2%) лактулоза всасывается в организме и этого оказывается достаточно для проявления иммунологической реакции.

Особенности метаболизма лактулозы позволяют использовать ее для достижения антиэндотоксинного эффекта при воспалительных процессах печени и для предупреждения осложнений при операциях на желчном пузыре.

Лактулоза оказалась эффективным средством улучшения холестиринового обмена по таким показателям как: концентрации холестирина и триглицеридов в сыворотке крови, уровень липопротеинов высокой и низкой плотности. Одновременное использование адсорбента (лигнина) усилило гипохолестеринемический эффект лактулозы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Механизм бифидогенности лактулозы

Лактулоза, применяющаяся в различных областях уже более 30 лет, выдержала это испытание и в будущем, по прогнозам пищевой промышленности и медиков, будет играть важную роль в поддержании физического здоровья и в увеличении продолжительности активной жизни человека.

1.3 Обоснование технико-экономической эффективности производства лактулозы

Как и все в мире, технологии проходят свой жизненный цикл: они возникают, развиваются, взаимно дополняются другими, уступают место более совершенным. В развитии технологии лактулозы можно выделить несколько этапов, связанных с изменением представлений о роли питания в жизни человека, представленных в таблице 3.

Анализируя данные табл. 3, можно сказать, что открытие Петуэли бифидогенных свойств лактулозы явилось толчком к развитию ее технологии. Уже в начале 60-х годов в Японии было организовано промышленное производство лактулозы и ее использование в продуктах детского питания. В эти же годы лактулоза была обнаружена в сыворотке, подвергнутого тепловой обработке, молока, в стрелизованном и сгущенном молоке, смесях для детского питания и других молочных продуктах подвергшихся ультравысокотемпературной обработке. В дальнейшем было установлено, что количество образующейся лактулозы зависит от температуры нагревания молока.

Таблица 3 - Этапы развития технологии лактулозы и направлений ее использования

Исторические этапы развития технологии лактулозы отражают совершенствование технической сущности способов ее получения. Для первого этапа были характерны низкие температуры и длительность проведения процесса изомеризации лактозы, сложная многостадийная очистка растворов на основе химических реакций. Затем в технологии стали использовать слабощелочные катализаторы, повышенные температуры изомеризации, ионообменные смолы для деминерализации и удаления побочных продуктов реакции. На следующем этапе благодаря развитию мембранной и ионообменной технологии стало возможным использование высокоэффективных катализаторов типа алюминатов и боратов. Направление биологического получения лактулозы с помощью ферментов-изомераз является пока мало исследованным и очень перспективным.

Закономерности развития технологии лактулозы тесно связаны с изменением потребительских свойств продукции. Так, организация промышленного производства фармацевтических препаратов лактулозы привела к всплеску патентования способов получения высокоочищенных сиропов в 70-80-е годы.

В дальнейшем с расширением областей лечебного и профилактического применения лактулозы, появилась потребность в сухих (порошкообразных, кристаллических) препаратах, которая способствовала повышению активности изобретателей в 90-е годы. Началом этого этапа стало открытие тригидратной кристаллической формы лактулозы, существенно отличающейся по физико-химическим свойствам от давно известной ангидридной.

Исторический анализ развития технологии позволяет установить ту системообразующую ось, вокруг которой интегрируются элементы, унаследованные от старой системы, создаются новые компоненты и их отношения. При этом открывается возможность продолжить системообразующую ось в будущее и прогнозировать направление системного движения. Можно предположить, что дальнейшее развитие технологии лактулозы будет идти в направлении более широкого использования современных электрофизических, мембранных и биотехнологических методов, а также создания принципиально новых безреагентных технологий.

Выделены основные технологические процессы, характерные для большинства известных способов получения лактулозы: подготовка сырья, изомеризация, очистка изомеризированного раствора, сгущение, кристаллизация и выделение лактулозы, сушка или кристаллизация лактулозы.

Для систематизации информации, выявления недостатков существующих технологий лактулозы и тенденций ее развития разработана методология системного анализа, включающая ряд последовательных и взаимосвязанных этапов. Рассмотрим некоторые из них.

Анализ взаимосвязи системы и среды. Система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой (рис. 2).

Из показанных на схеме «видов» самыми важными в технологическом отношении являются «сырье» и «основные вспомогательные материалы». Уровень и качество готового продукта должен определяться требованиями потребителей.

Разработка и анализ классификационной схемы. Для классификации технологий лактулозы использован принцип дерева цепей (рис.3). На основании иерархичности в системе «Технология лактулозы» выделены две основные подсистемы - «Изомеризация лактулозы в лактозу» и «Выделение лактулозы из реакционной смеси». Каждая подсистема включает ряд элементов операций, которые находятся на следующем уровне иерархической подчиненности и могут быть выполнены разными способами.

Побочные продукты Сточные воды

Рисунок 2 - Схема взаимодействия системы «Технология лактулозы» с внешней средой

Подсистема «Изомеризация лактозы в лактулозу» включает три элемента: подготовка сырья, внесение катализатора и термостатирование. Теоретической основой декомпозиции подсистемы являются данные о том, что все промышленные способы получения лактулозы основаны на внутримолекулярной перегруппировке молекулы лактозы в щелочной среде по механизму LA-трансформации. На изомеризацию существенно влияют вид и доза катализатора, температура и продолжительность термостатировании, состав и свойства исходного сырья.

В качестве сырья чаще всего используют молочный сахар высокого качества, из которого готовят водные растворы определенной концентрации.

Рисунок 3 - Классификационная схема «Способы получения лактулозы»

Имеются сведения об использовании сыворотки и ее ультрафильтратов. В случае применения молочного сахара-сырца и сыворотки их подвергают дополнительной очистке от несахаров. Концентрация лактозы в исходном растворе, а также температура и время термостатирования существенно зависят от вида применяемого для изомеризации щелочного реагента.

Анализ литературных и экспериментальных данных позволяет выделить три основных группы катализаторов. К первой относятся гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов - доступные и недорогие реагенты, позволяющие трансформировать в лактулозу около 30% лактозы и относительно легко удаляемые известными методами деминерализации. К недостаткам можно отнести высокую скорость образования побочных красящих продуктов реакции, снижающих качество готового продукта. Вторая группа катализаторов включает сульфиты, фосфиты и другие слабощелочные реагенты, дающие невысокий выход лактулозы, но обеспечивающие низкую скорость протекания побочных реакций. В третью группу катализаторов входят высокоэффективные (степень изомеризации до 80%), но токсичные и трудноудаляемые алюминаты и бораты.

Подсистема: «Выделение лактулозы из реакционной смеси» включает ряд операций, целью которых является комплексная очистка изомеризованных растворов от кататизаторов, побочных продуктов реакции и других углеводов.

Первый способ получения чистой кристаллической лактулозы описанный Montgomery E.M. и Hudson C.S., включает целый ряд химических реакций, направленных на удаление внесенного кальция лактозы и побочных продуктов. Изомеризованный раствор охлаждают до 100С, подкисляют серной кислотой, выдерживают при температуре 350С в течении 2 ч, после чего кислоту нейтрализуют постепенным прибавлением карбоната кальция. Осле отделения нерастворимых солей кальция раствор сгущают в вакууме, доводя содержание сухих веществ до 50%. Для осаждения непрореагировавшей лактозы добавляют 95%-ный этиловый спирт и оставляют смесь при 2-40С в течении 6 дней. Образовавшиеся кристаллы лактозы отфильтровывают, фильтрат концентрируют и очищают с помощью метилового спирта, эфира и активированного угля. Остаточное количество лактозы окисляют бромом.

Ведущими в разработке технологий лактулозы выступают страны: Япония, Италия, Нидерланды. Эти страны производят лактулозу не только для внутреннего использования, но и проявляют наибольшую активность в рынке сбыта.

Размещено на Allbest.ru