3.2 Электродиализ

Одним из эффективных способов деминерализации молочной сыворотки является электродиализ. Суть процесса электродиализа заключается в том, что селективная ионитовая мембрана (перегородка), находясь в контакте с раствором, под влиянием электрического поля пропускает ионы одного заряда и служит барьером для ионов противоположного заряда.

При пропускании постоянного (или выпрямленного) электрического тока катионы солей, содержащихся в молочной сыворотке и рабочем растворе, перемещаются по направлению к катоду, а анионы солей – к аноду.

Процессы электродиализного обессоливания и концентрирования протекают одновременно и тесно взаимосвязаны. При изменении направления электрического тока на противоположное процесс будет протекать в обратном направлении. То же произойдет, если поменять местами катионитовые и анионитовые мембраны.

Электронейтральные молекулы других веществ, входящих в состав молочной сыворотки, в электродиализном процессе не участвуют, поэтому при электродиализном обессоливании молочной сыворотки в рабочий раствор переходят только ионы солей, а содержание белков и лактозы не меняется.

Конструкция большинства электродиализаторов многокамерная – из большого числа чередующихся анионо-катионообменных мембран, заключенных между двумя электродами. В начальный период обессоливания сыворотки удаляются практически лишь одновалентные ионы – натрий, калий, хлор, которые наиболее сильно влияют на вкусовые качества сыворотки. Затем, по мере обессоливания, одновременно удаляются анионы фосфорной и лимонной кислот, что приводит к частичной диссоциации комплексов, связывающих ионы кальция и магния. С повышением степени обессоливания скорость удаления из сыворотки двухвалентных катионов возрастает. Молочная кислота удаляется со скоростью, занимающей промежуточное положение между одно- и двухвалентными неорганическими анионами. Однако микроэлементы остаются в сыворотке.

Электродиализ молочной сыворотки не оказывает существенного влияния на качество и содержание сывороточных белков, лактозы и витаминов. Потери белка составляют 2 – 3%, а потери лактозы при уровне деминерализации 90 % составляют 6 %. Одновременно с уменьшением содержания солей происходит снижение титруемой кислотности. Величина рН в процессе обработки практически не меняется. В результате электродиализной обработки органолептические показатели молочной сыворотки значительно улучшаются.

Продукты, полученные с помощью электродиализа, часто используют в качестве основы для заменителей цельного молока. В последнее время разрабатывается комбинированная технология, предусматривающая объединение методов электродиаолиза и ультрафильтрации. При этом получают сухой белковый препарат с максимальной концентрацией белка 35 % и содержащий лактозу и деминерализованный ультрафильтрат. В зависимости от используемого оборудования производственные потери в процессе элпектродиализа могут составить до 10 %.

Гельфильтрация.

Гельфильтрацию применяют для фракционирования сложных биологических систем с целью получения отдельных компонентов в нативном состоянии. В качестве молекулярного сита используют гидрофильные гели – сефадексы: модифицированные декстраны микробиологического происхождения, агарозу и т.д. Благодаря большому количеству ОН-групп в полисахаридной структуре сефадексы сильно набухают в воде. Гели представляют собой неионные материалы, поэтому их можно применять для разделения заряженных и электронейтральных  веществ.

Наиболее широкое применение получили декстрановые гели «Сефадекс» (Швеция). На «Сефадекс» разделяют глобулярные белки с молекулярной массой 700 – 800 тыс. ед.  гели на основе агарозы, например «Сефароза» (Швеция), используют для разделения веществ с молекулярной массой более 800 тыс. ед. синтезирован новый вид гелей – ксерогели (пористые стекла), представляющие собой малонабухающие полимеры.

Процесс гелевой фильтрации осуществляется за счет вымывания частиц разделяемого раствора через слой набухшего геля растворителем (водой). Большие молекулы, не проникая в поры геля, свободно проходят с потоком растворителя. Более мелкие молекулы распределяются в жидкой среде снаружи и внутри гелевых частиц. Молекулы, находящиеся внутри геля, элюируются медленнее. Молекулы среднего размера элюируются позднее крупных, но раньше мелких молекул. Следовательно, компоненты раствора выходят из колонки соответственно убыванию их молекулярной массы.

Гелевая фильтрация – эффективный метод разделения компонентов молочной сыворотки. Крупномолекулярная белковая фракция выделяется при этом практически в чистом виде. Лактоза и минеральные вещества хотя и выделяются последовательно, но с наложением зон друг на друга. Поэтому для их разделения необходимо использование дополнительных методов разделения - ультрафильтрации и электродиализа.

Максимальная производительность, достигнутая при использовании декстрановых гелей, составляет 500 кг/ч через 1 м² поперечного сечения колонки. Степень очистки белка от лактозы составляет 99 %, степень разбавления белковой фракции – не более чем в 1,5 раза. При этом длина колонки должна составлять около 4 м. для разделения сыворотки в промышленном масштабе в мировой практике применяется исключительно сефадекс Ж-25 грубого зернения.

В отличие от других методов гель-фильтрация на колонках позволяет добиться полного разделения ингредиентов низкомолекулярной фракции в ходе одного рабочего цикла. В апробированных до настоящего времени пилотных и промышленных установках, получают сывороточный концентрат с содержанием белка 40 – 80 %.

В настоящее время выпускают белковые продукты: Енр-Ро (добавка к хлебобулочным изделиям), Енр-Екс (заменитель сухого обезжиренного молока), Енр-Про (высокобелковый продукт общего назначения) и 99 %-ая чистая лактоза Енр-Лак.

Сам процесс выделения белка относительно прост, но для проведения гель-фильтрации необходим ряд вспомогательных операций (предварительная концентрации сыворотки, отделения лактозы и высушивания), что удорожает метод.