RU2052942C1

RU2052942C1 - Method for adjusting acidity of milk and other food products containing aqueous phase

Info

Publication number: RU2052942C1
Application number: RU94007537A
Authority: RU
Inventors: Н.Я. Дыкало; Г.Б. Гаврилов; В.В. Ким
Original assignee: Научно-производственное объединение "Экотех" - товарищество с ограниченной ответственностью
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: food industry. SUBSTANCE: product is passed through a device producing an acidic group and alkaline group in the chambers. Said device is a three-chamber electrodialysis apparatus with alternating anion-exchange and bipolar membranes or alternating cation-exchange and bipolar membranes. The anion-exchange side of the bipolar membrane is directed towards the anode. The product is passed through alkalizing and/or acidifying chambers which are supplied, respectively, with ions of hydroxyl OH^- or hydrogen H⁺. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 3 dwg

Description

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). Known methods for changing active acidity (alkalization and acidification) using respectively anion-exchange and cation-exchange resins (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; Pat. EPO 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. The main disadvantages of ion-exchange methods for regulating the active acidity of milk raw materials are the large losses of the product in the intergranular space of the ion-exchange resin; increased contamination of the product with the chemical components of the resins due to the large contact surface; in a sharp jump in the active acidity of the product when passing through an ion exchange column, which makes it difficult to smoothly adjust this value; the need to use mineral acids and alkalis for the regeneration of ion-exchange resins.

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. There is also a method of producing acidic and alkaline solutions using electrodialysis with biopolar membranes (A. p. 1171050, 1985). If the bipolar membrane is located in the electrodialyzer, the anion-exchange side is towards the anode, and the cation-exchange side is towards the cathode, then when a constant electric field is switched on, at the junction of the pressed membranes hydrogen and hydroxyl ions are generated due to the dissociation of water molecules, the transfer of which under the action of an electric field allows one to obtain concentrated alkali and acids. This process has been analyzed in detail in the Development of Bipolar Membranes. B. Bauet, F. Jerner H. Stratmann, "Desalination", 1988, v. 68, p. 279-292. The authors of the mentioned article proposed a scheme of alkalization and acidification of solutions using a four-channel electrodialysis apparatus, which is technically much more complicated than the traditionally used three-channel electrodialyzer models and requires additional costs for membranes.

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. Closest to the proposed method for regulating the active acidity of milk raw materials is the method [1] according to which milk raw materials (whey) are processed in a four-channel electrolytic cell (Fig. 3), limited by two electrodes and delimited by alternating cation and anion exchange membranes into four compartments, in which in the anode compartment (4), hydrogen ions are generated, which transfer to the acid compartment (5) and combine with the anions transferred from the feed compartment (6) to form acids; in the alkaline compartment, hydroxyl ions generated at the cathode combine with cations passing from the feed compartment. As a result of these processes, serum demineralization occurs in one compartment, and acid and alkali are formed in other departments.

Получаемые кислоты и щелочи используются для подщелачивания и подкисления той же сыворотки, которая подвергалась обработке в данной электролизной ячейке, и других молочных продуктов. The resulting acids and alkalis are used to alkalize and acidify the same whey that was processed in this electrolysis cell and other dairy products.

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. The disadvantages of the considered method are as follows: high installation cost (for every three membranes there are two expensive electrodes); much lower membrane packing density per unit volume than electrodialysis; the presence of four paths for four different solutions, which complicates the technical use of equipment; the need to protect production from explosive gases of oxygen and hydrogen and additional energy consumption.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. The essence of the invention is as follows.

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.The active acidity of milk and food solutions is regulated by passing them through one of the chambers of a three-channel electrodialysis apparatus, in which acid and alkaline groups are generated by decomposition of water, while the solution is passed through alkalization or acidification chambers, into which hydroxyl ions (OH ^- ) respectively enter or hydrogen ions (H ⁺ ). An apparatus with alternating cation-exchange and bipolar membranes or with alternating anion-exchange and bipolar membranes, in which the anion-exchange sides of the bipolar membranes in both cases face the anode, is used as an electrodialysis apparatus. Materials processing is performed at a current density on the membranes 20-1200 A / m ² and a temperature of 8-75 ° ^C.

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. In FIG. 1 shows the principle of operation of an electrodialyzer with bipolar and anion-exchange membranes; figure 2 the principle of operation of the electrodialyzer with cation exchange and bipolar membranes; figure 3 the principle of operation of a four-time electrolytic cell according to the prototype method.

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.The hydroxyl ions (OH ^- ) generated in the bipolar membrane enter the alkalization chamber 2, and the hydrogen ions (H ⁺ ) into the acidification chamber 1. The replenishment of (H ⁺ ) and (OH ^- ) ions occurs due to diffusion of neutral water molecules to the inner junction of the bipolar membrane, where charged ions are formed under the influence of an electric current. The process is continuously regulated by current load and processing time.

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.In the first embodiment of the assembly of the ED apparatus (Fig. 1), anions, mainly chlorine ions (Cl ^- ), are removed from the alkalization chamber, which partially provides an alkalized solution. In the second embodiment, the assembly of the acidification chamber partially removes its own cations of raw materials, replaced by hydrogen ions (figure 2), which leads to a decrease in the water content in the acidified solution.

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. The raw milk contains from 6% (skim milk) to 15% (molasses of milk sugar) of mineral substances in the dry residue. This is enough to alkalize milk raw materials with this method to a pH of 10-12 or acidify to a pH of 2-4.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

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.There are 3 ways to use these types of electrodialysis machines to change the acidity of food solutions:
1. If it is necessary to simultaneously acidify one portion of the food solution (for example, whey) and alkalize another portion of the indicated or different type of food solution, the first portion is fed into the acidification chambers 1 and the second portion into the alkalization chambers 2 of the electrodialysis apparatus.

В электродную камеру 3 во всех случаях обработки пищевых растворов подается раствор любого электролита, разрешенного для контакта с пищевыми продуктами, например поваренной соли (NaCl). In the electrode chamber 3 in all cases of processing food solutions, a solution of any electrolyte allowed for contact with food products, for example sodium chloride (NaCl), is supplied.

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. 2. If the purpose of processing the food solution is only its acidification, then the specified solution is supplied to the acidification chambers 1, and the food electrolyte solution is supplied to the alkalization chambers 2.

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. 3. To alkalize the food solution, the same types of assembly of ED devices are used, with the difference that the food solution is supplied to chambers 2, and the electrolyte to chambers 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. Thus, both schemes in the present invention can be used both for alkalization and for acidification of milk raw materials. The difference in their use is as follows. The first scheme is convenient to use for alkalization of dairy raw materials with a high content of mineral salts in it and for acidification with a low content of mineral substances. The second scheme is convenient for acidification of those types of dairy raw materials (for example, molasses of refined sugar), where the content of mineral substances is high, and for alkalization, when the milk raw material contains a small amount of mineral substances and it is necessary to introduce them additionally.

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. Unlike the prototype, the proposed options for electrodialysis regulation of acidity of milk raw materials are characterized by high economic efficiency, compact equipment, process safety, ease of acidity regulation, which consists in the ability to interrupt the electrodialysis process when the desired acidity level of the raw material is achieved.

П р и м е р 1. PRI me R 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.Take 1000 liters of skim milk in the original pH value of 6.3 and it is treated in the electrodialysis unit equipped with bipolar membranes and anionoobmnennymi when the voltage across the membrane package 220 and a current of 12 A and ²⁵ ° C for 85 minutes, reaching a value of pH 10 4, it is mixed with 5 tons of skim milk with an initial pH of 6.3, 5990 liters of milk with a pH of 6.8 are obtained, from which 405 kg of dried whole milk replacer are obtained, which is 68 kg more than using traditional unsweetened skim milk .

П р и м е р 2. PRI me R 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. Take 5000 l of casein whey with an initial pH of 4.3 and subjected to electrodialysis in example 1 at a voltage of 220 V and a current of 15 A for 94 min, get 4950 l of serum with a pH of 6.6.

П р и м е р 3. PRI me R 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. Take 3000 l of cheese whey with a pH of 6.4 and subjected to electrodialysis treatment according to example 1 at a voltage of 220 V and a current of 13 A for 58 minutes, get 2990 l of serum with a pH of 6.79.

П р и м е р 4. PRI me R 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. Take 5000 l of curd whey with an initial pH of 4.3 and electrodialysis according to example 1 at a voltage of 220 V and a current of 15 A for 94 minutes, get 4950 l of serum with a pH of 6.6.

П р и м е р 5. PRI me R 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.Take 2000 liters of a 15% solution of raw sugar milk and subjected to an electrodialysis treatment in the apparatus of Example 1 with a temperature of 75 ^{° C,} only direct acidification of this solution in the chamber and in the alkalization of the electrolyte chamber. At a voltage of 220 V and a current of 9 A, a 1950 l solution of raw sugar with a pH of 1.2 is obtained after 95 minutes of operation, which is then sent to the glucose-galactose syrup in an acidic way.

П р и м е р 6. PRI me R 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. The electrodialysis unit is equipped with bipolar cation exchange membranes. 2000 l of molten refined sugar molasses are sent to the acidification chambers. At a voltage of 220 V on a membrane bag and a current of 13 A, after 70 minutes of operation, 1950 liters of acid molasses with a pH of 1.18 are obtained, which are sent to the production of glucose-galactose syrup in an acidic way.

Claims

1. METHOD FOR REGULATING THE ACIDITY OF DAIRY AND OTHER FOOD PRODUCTS CONTAINING A WATER PHASE, which involves passing the product through a device that provides acid and alkaline groups in the chambers due to decomposition of the aqueous phase of the initial product, characterized in that the device provides alkaline and acid production in the chambers groups, provides a three-chamber electrodialysis apparatus with alternating anionic or cation-exchange and bipolar membranes, the anion-exchange side of the bipolar the membranes are directed to the anode, while the product is passed through alkalization and / or acidification chambers, which respectively receive hydroxyl (OH ^- ¹ ) or hydrogen (H ⁺ ) ions.

2. The method according to p. 1, characterized in that the temperature of the product is maintained in the range of 8 - 75 ^o C, and the current density is in the range of 20 - 1200 A / m ² .