بهینه سازي راندمان تولید پودر آب پنیر با استفاده از خشک کن پاششی و ارزیابی ویژگی هاي فیزیکوشیمیایی آن

مقدمه

خطر کاهش مواد غذایی موجود در طبیعت و افزایش روز افزون جمعیت و آلودگی های زیست محیطی ایجاد شده توسط پساب کارخانجات مختلف )به ویژه کارخانه های تولید کننده محصولات لبنی(، توجه بسیاری از پژوهشگران کشورهای جهان را به استفاده از روش های بیوتکنولوژی در زمینه صنایع مواد غذایی به خود معطوف کرده است. استفاده از ضایعات صنعت غذا و کشاورزی میتواند در بسیاری از موارد، راهگشای حل مشکلات کمبود مواد غذایی و کاهش آلودگی های موجود در طبیعت باشد. به این ترتیب علاوه بر کاهش هزینه های تولید، از ایجاد ضایعات و آلودگی محیط زیست کاسته و از به هدر رفتن منابع مغذی جلوگیری می نماید.

تمامی واحدهای صنایع شیر ایران جهت کاهش آلودگی زیست محیطی برای تصفیه فاضلاب صنعتی اقداماتی را انجام داده اند، فاضلاب صنعتی کارخانجات لبنی متشکل از پساب شیر حاوی چربی، پروتئین و کربوهیدرات بوده که پس از کارخانه های گوشت و فرآورده های گوشتی آلوده ترین پساب صنعتی به شمار می رود و میزان آلودگی آن نیز 10 برابر فاضلاب شهری است. برخی از مهم ترین روش های تصفیه بیولوژیک که در صنایع لبنی استفاده می شود شامل سیستم لجن فعال متعارف، سیستم لجن فعال به روش هوادهی گسترده، روش های هضم به صورت هوازی، بی هوازی و هوادهی می باشد.

از جمله ضایعات بسیار مرسوم در صنایع لبنیات، آب پنیر می باشد. آب پنیر به عنوان یک محصول فرعی حاصل از تولید پنیرهای سخت، نیمه سخت، نرم و کازئین تهیه شده به وسیله آنزی رنت (RENNET) محسوب میشود. آب پنیر یا پلاسمای شیر، مایعی است که بعد از لخته شدن شیر و تحت فشار قرار گرفتن لخته از آن خارج میگردد.

آب پنیر شیرین در طی ساخت انواع پنیر سخت مثل چدار (Cheddar )یا پنیر سوئیسی به دست می آید. آب پنیر اسیدی (معروف به آب پنیر ترش) در طی تولید پنیرهای اسیدی مثل پنیر کتاج Cottage)) تولید می گردد. این ماده غیر شفاف و رنت آن زرد مایل به سبز بوده و دارای pH برابر 6/3- 5/9 می باشد. از آنجایی که آب پنیر دارای BOD بالایی است و جاری سازی آن بر زمین های زراعی و آهکی امکان پذیر نمی باشد و از طرفی منبع بسیار مغذی از انواع پروتئین ها، کربوهیدرات و انواع متعددی املاح است، لذا تکنولوژی و فرآوری بازیافت آن امری ضروری می باشد.

بیشترین نحوه استفاده از آب پنیر، خشک کردن آن به صورت پودر آب پنیر می باشد، به عبارت دیگر پودر آب پنیر مهم ترین شکل محصولی است که از آب پنیر استحصال می شود. از جمله مصارف بسیار عمده پودر تهیه شده، کاربرد آن در تهیه شیر خشک نوزاد است. در کنار این صنعت استفاده از آب پنیر در صنایعی همانند پفک سازی، نوشابه سازی و صنعت نانوایی مرسوم و رایج است. در حال حاضر سودآورترین راه حل مشکل زیست محیطی فراوری ضایعات آب پنیر به محصولات غذایی و دارویی است. همچنین به دلیل ماهیت بیوشیمیایی مناسب، امکان استفاده از این ترکیب به عنوان سوبسترا در کشت های تخمیری نیز وجود دارد.

بشر از دیرباز به خشک کردن محصولات کشاورزی و غذایی توجه داشته است. نگهداری آسان، ماندگاری در شرایط معمولی و حفظ ارزش غذایی محصولات خشک شده و عدم نیاز به شرایط ویژه برای انبارداری از جمله مواردی است که اهمیت خشک کردن محصولات غذایی را بیش از پیش مشخص میکند. خشک کردن عبارت است از خارج ساختن یا کاهش رطوبت از مواد مرطوب تا به تعادل رسیدن رطوبت ماده یا محصول با رطوبت محیط.

عواملی که در سرعت کاهش رطوبت هر محصول خاص در حین فرایند خشک کردن موثر هستند،عبارتند از: دما، سرعت جریان هوا، کاهش رطوبت نسبی هوای خشک کن و ضخامت لایه محصول . در بین روش- ها و خشک کن هایی که برای خشک کردن مایعات و تولید پودر آنها مورد استفاده قرارگرفته می توان خشک کن های پاششی(Spray dryer) ، انجمادی ( Freeze Dryer) و غلتکی دوار (Roller Rotary )را نام برد. در میان تعدادی از روش های خشک کردن، خشک کردن پاششی یکی از روش های معمولی است که دارای گستره بیشتری برای تولید پودرهای خشک شده با کیفیت بالا و مطلوب می باشد.

خشک کن های پاششی دارای فرایندی مداوم و پیوسته بوده و فرآیند خشک کردن توسط خشک کن پاششی عبارت است از تبدیل محصول از حالت محلول به ذرات خشک جامد به وسیله اسپری کردن آن در محیطی که دمای لازم برای خشک کردن با استفاده از هوای گرم تأمین شده است. مهم ترین ویژگی پودر به دست آمده، یکنواختی ذرات آن است که باعث به وجود آمدن ویژگی هایی نظیر روان بودن، حل شدن سریع، آسانی در مخلوط شدن با مواد دیگر و همچنین سهولت انجام عملیات بعدی روی آن می شود. به طور کلی در سیستم خشک کن پاششی چهار مرحله اسپری کردن خوراک، تماس بین فاز هوای داغ و مایع اسپری شده، خشک شدن قطرات اسپری شده، جداسازی محصول خشک شده از هوا صورت می گیرد .

در پژوهش حاضر پس از تهیه نمونه های آب پنیر از شرکت پگاه خوزستان و آماده سازی آن ها در غلظت های مختلف و رساندن به ماده خشک 30،40 و 50 درصد وزنی حجمی، با کمک خشک کن پاششی با سه دمای ورودی150 ،200 و 250 درجه سانتیگراد عمل اسپری و خشک کردن بهینه سازی تولید صورت گرفت و ویژگی های فیزیکو شیمیایی نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روش ها

ابتدا از چند نمونه بچ تولیدی پگاه خوزستان آب پنیر محلول تهیه شد و پس از آماده سازی، با استفاده از خشک کن پاششی، فرایند خشک کردن صورت گرفت. تمامی مواد آزمایشگاهی از شرکت مرک آلمان تهیه شد.

تغلیظ محلول خوراک ورودي

 برای تولید خوراک ورودی به خشک کن پاششی، محلول آب پنیر تهیه شده قبل از ورود به خشک کن پاششی تا دمای 70 درجه سانتی گراد حرارت دیده و تغلیظ شدند. سیستم تغلیظ کننده معمولا شامل اجزاء مختلف می باشد که عبارتند از پیش گرمکن ها، عملیات حرارتی، سیستم هلدینگ، تغلیظ کننده ها، جداکننده های بخار - مایع، پمپ های انتقال، فلاش تانک و کندانسور تغلیظ کننده ها از نوع فیلم ریزشی هستند که مجهز به سیستم توزیع خوراک مناسب بوده و عملیات تغلیظ را تحت شرایط خلاء انجام می دهند، تغلیظ کننده ها برحسب ظرفیت واحد از یک تا چند مرحله ای ساخته می شوند و افزایش تعداد مراحل راندمان حرارتی سیستم را افزایش می دهد، میزان خوراک، میزان خلاء، دمای مراحل تغلیظ و فشار بخار مصرفی با استفاده از سیستم های تمام اتوماتیک کنترل می شود.

تولید پودر آب پنیر

برای تولید پودر، خوراک های تغلیظ شده به خشک کن پاششی افشانه ای نیمه صنعتی منتقل شدند. همچنین خشک کن به یک کمپرسور هوای فشرده متصل بوده که فشار هوای خروجی از آن حدود bar 2 بود .بخشی از هوای فشرده خروجی از کمپرسور به محفظه خوراک وارد شده و در آنجا نیروی مورد نیاز جهت انتقال سیال به بالای برج خشک کن را تأمین می کرد. در این سیستم با بهره گیری از تکنولوژی اتمایزر Atomiser)) کنسانتره که توسط مبدل حرارتی به دمای مناسب رسیده است به ذرات بسیار ریز تبدیل می شود و در تماس با هوای داغ قرار گرفته، هوا توسط سیستم گرمکن تا دمای مورد نظر گرم شده و وارد سیستم می شود، در محفظه خشک کن پس از تماس قطرات کنسانتره و هوای داغ، تبخیر صورت می گیرد و پودر حاصل به انتهای محفظه می ریزد، بخشی از پودر که همراه با هوا از محفظه خشک کن خارج شد، توسط سیکلون ها از هوا خارج میشود.

آزمون هاي پودر آب پنیر

راندمان تولید پودر: راندمان تولید پودر یکی از شاخص های اصلی عملکرد خشک کن پاششی است. راندمان کلی پودر خشک شده طبق معادله زیر، محاسبه شد:

100×(مواد جامد کل خوراک/وزن کل پودر تولیدی بر پایه خشک):درصد راندمان پودر

درصد رطوبت پودر: برای اندازه گیری میزان رطوبت، 5 گرم از پودرها در آون با دمای 105 درجه سانتی گراد قرارگرفته و در زمان های مختلف توزین شد تا زمانی که تغییر وزن مشاهده نگردید در نهایت با داشتن وزن اولیه و وزن خشک نمونه ها، مقدار رطوبت طبق معادله 2 زیر ،مشخص شد:

100×وزن اولیه/(وزن خشک-وزن اولیه)=درصد رطوبت پودر بر پایه مرطوب

دانسیته توده پودر: برای محاسبه دانسیته توده ای پودرها، 2 گرم از آنها توزین شده و در استوانه مدرج mL 10 ریخته شد و حجم معادل پودر توسط ارتفاعی که در استوانه مدرج بالا آمده بود، محاسبه گردیده و مقدار دانسیته توده ای از طریق معادله زیر ،محاسبه شد:

حجم وزن مشخص از آن پودر/وزن پودر:دانسیته توده

حلالیت پودر: 50 میلی لیتر آب مقطر به یک بشر mL200 انتقال داده شد و 5 گرم پودر به ظرف اضافه شد و سپس روی همزن با سرعت rpm 800 برای مدت  5 دقیقه در دمای اتاق قرار گرفت. مخلوط به دست آمده با سرعت rpm 3000 برای مدت 5دقیقه سانتریفوژ شد. سپس mL 25 از محلول شناور رویی (سوپرناتانت) به یک پتری دیش از قبل وزن شده انتقال یافت و در آون با دمای C 105  تا رسیدن به وزن ثابت قرار گرفت. میزان حلالیت بر اساس وزن سوپرناتانت خشک شده در برابر وزن پودر اولیه مطابق با معادله زیر،تعیین شد:

100×وزن پودر اولیه/وزن سوپرناتانت خشک شده:درصد حلالیت

تجزیه و تحلیل آماري داده ها

 پس از انجام پیش تیمارهای اولیه و به دست آوردن دامنه مناسب متغیرهای مستقل، روش سطح پاسخ در قالب طرح مرکب مرکزی (design composite central) برای پیش بینی تأثیر متغیرهای تولید پودر شامل دمای هوای ورودی خشک کن 150،200و250درجه و ماده خشک اولیه 30،40و50 درصد بر راندمان تولید، حلالیت، رطوبت و دانسیته توده تیمارها بررسی شد. پژوهش شامل 3 تکرار در طرح CCD با سه نقطه مرکزی در 21 آزمایش تعیین شد. آنالیز داده ها و رسم نمودارها، به کمک نرم افزار Expert-Design نسخه 8 انجام گرفت.

يافته ها

بررسی اثرات متغیرها توسط روش سطح پاسخ

آنالیز واریانس برای ارزیابی اثرات معنی داری متغیرهای فرآیند روی هر یک از پاسخ ها انجام شد. توابع پاسخ در مورد پارامترهای اندازه گیری شده با استفاده از مدل های مختلف (خطی، دوفاکتوره و درجه دوم) بر اساس ضریب همبستگی و ضریب همبستگی تنظیم شده مقایسه گردید. به صورتی که مدلی که دارای بیشترین مقادیر این فاکتورها باشد دارای قدرت پیش بینی  بالا و دقت بیشتری خواهد بود. آنالیز واریانس برای تعیین عدم برازش و معنی دار بودن اثرات خطی و درجه دوم و برهمکنش متغیرهای مستقل بر متغیرهای وابسته صورت گرفت. اگر مقدار  P value برای آزمون عدم برازش در ANOVA  بزرگتر مساوی 05/0 باشد، به معنای کافی بودن مدل برای پیش بینی پاسخ مورد نظر می باشد.

بررسی راندمان تولید پودر

بررسی نتایج آنالیز واریانس نشان داد که بیشترین و کمترین مقدار راندمان به ترتیب مربوط به 250درجه و 40 درصد ماده خشک در سطح اطمینان95 درصد بود. اثر متغیرهای مستقل بر راندمان تولید نشان می دهد با افزایش دمای ورودی و درصد ماده خشک بازدهی تولید افزایش پیدا کرد.

بررسی رطوبت پودر

بررسی نتایج آنالیز واریانس، اثر سطوح پارامترهای عملیاتی دمای ورودی خشک کن و غلظت ماده خشک بر مقدار رطوبت در سطح اطمینان 95 درصد نشان داده بیشترین مقدار رطوبت مربوط به تیمارهای 200درجه سانتی گراد و 40 درصد ماده خشک بود.

مقدار دانسیته توده اي

دانسیته توده، تراکمی از ماده است زمانی که آن ماده بسته بندی شده یا به صورت فله ای انباشته شده باشد. با افزایش دمای ورودی خشک کن دانسیته توده کاهش یافت.

بررسی حلالیت پودر

 بررسی نتایج آنالیز واریانس نشان داد که اثر سطوح پارامترهای عملیاتی دمای ورودی خشک کن و غلظت ماده خشک بر حلالیت پودر در سطح اطمینان 95 درصد معنی دار بود. حلالیت پودرها با افزایش دمای ورودی افزایش می یابد.

بهینه سازي

شرایط بهینه تولید پودر آب پنیر توسط خشک کن پاششی برای دستیابی به حداقل رطوبت، دانسیته توده و حداکثر راندمان تولید و حلالیت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد تیمار بهینه ماده خشک 37/39 درصد و دمای ورودی 250 درجه خشک کن بوده و در نقطه بهینه، راندمان تولید 53/77 درصد، مقدار رطوبت 92/0 درصد، دانسیته توده mL/g 64/0 و حلالیت 33/77 درصد بود.

بحث

 راندمان تولید پودر یکی از شاخص های اصلی عملکرد خشک کن پاششی است. این امر می تواند به دلیل شارش بالاتر فرآیندهای انتقال حرارت و جرم و کاهش احتمالی برخورد ذرات خشک شده به دیواره خشک کن باشد. کاهش شیب راندمان تولید پودر به دلیل مشکلات چسبندگی بوده و به این معنی است که دمای خشک کردن بالاتر از دمای انتقال شیشه ای آن است. راندمان پودر آب پنیر با افزایش غلظت ماده خشک اولیه نیز افزایش یافت. این افزایش راندمان تولید پودر را می توان ناشی از کاهش چسبندگی و رسوبات ذرات پودر بر دیواره محفظه خشک کن مرتبط دانست. یکی دیگر از عوامل ممکن است به دلیل افزایش برآیند دمای انتقال شیشه ای خوراک با افزایش غلظت خوراک باشد. دمای انتقال شیشه ای پروتئین آب پنیر 153 درجه می باشد. تا حد زیادی راندمان پودر با پروتئین افزایش یافته است که ممکن است به دلیل مهاجرت پروتئین در میان آب و هوا و تشکیل یک لایه پروتئینی قوی باشد، زمانی که در معرض هوای گرم و خشک قرار گیرد، تبدیل به یک سطح شیشه ای میشود. پوست تشکیل شده قادر است بر به هم پیوستن قطرات و انعقاد آنها و همچنین بر فعل و انفعالات چسبندگی ذرات در محفظه خشک کن غلبه کند. این فیلم تشکیل شده ممکن است نسبتا دمای انتقال شیشه ای بالاتری داشته باشد که میتواند برای غلبه بر ذرات چسبنده در حالت شیشه ای باقی بماند.

مقدار رطوبت یک ویژگی ضروری برای تعیین پایداری بوده و در دماهای پایین، رطوبت به خوبی گرفته نمی شود. این امر به دلیل کاهش سرعت انتقال حرارت و جرم است. اختلاف حرارت زیاد بین محیط خشک کردن و ذرات، آهنگ انتقال حرارت به ذرات را بالا خواهد برد که یک نیروی محرکه ای برای حذف رطوبت فراهم می نماید. زمانی که خشک کردن توسط هوا انجام می شود دما یک نقش مهم ثانویه را ایفا می کند. رطوبت در این حالت یک فضای اشباعی را در سطح ذرات ایجاد کرده که نرخ حذف آب را کند میکند. هوای داغ تر رطوبت بیشتری را قبل از رسیدن به حالت اشباع در خود نگه می دارد.

با افزایش غلظت ماده خشک مقدار رطوبت با شیب ملایمی افزایش می یابد. این کاهش ممکن است به این دلیل باشد که با افزایش مقدار مواد جامد، کل خوراک رطوبت کل برای تبخیر افزایش می یابد. دلیل آن این است که برای مولکول های آب بسیار دشوار است که از مولکول های بزرگ ماده خشک عبور کنند و خارج شوند. این اثر ممکن است به این دلیل باشد که افزایش ماده خشک چسبیدن ذرات ترموپلاستیکی را به حداقل می رساند. علاوه بر این، ممکن است حجم هوای محبوس شده در ذرات افزایش یابد، چون در سطح ذرات تشکیل یک لایه را می دهد.

ذراتی که روی آنها لایه تشکیل شده است اغلب حاوی حباب های هوا بوده، که میتواند به علت وجود هوا در خوراک اولیه یا در طول پاشش جذب شده باشد. عموما، افزایش حجم هوای محبوس شده سبب کاهش دانسیته ظاهری ذرات شده و این دانسیته ظاهری در درجه اول تعیین کننده دانسیته توده پودر است. نتایج مشابهی در ارتباط با پودر آب توت سیاه، پودر آب انار، پودر رب گوجه فرنگی و پودر پالپ تمبر هندی نیز گزارش شده است.

دانسیته توده با افزایش دمای هوای ورودی خشک کن کاهش مییابد. این امر به دلیل آن است که آهنگ تبخیر سریعتر شده و ذرات خشک شده ساختار متخلخل به خود میگیرند. پژوهش های مختلف نشان میدهد که با افزایش در دمای ورودی معمولا یک کاهشی را در دانسیته ذره ها سبب می شود و تمایل زیادی برای ذراتی که به شکل توخالی درآیند وجود دارد.

افزایش دما باعث افزایش اندازه ذرات شده و ذرات درشت با تخلخل بالا سریعتر در آب حل می شوند، به عبارتی آب راحت تر در آنها نفوذ میکند، اما ذرات ریز روی آب شناور باقی می مانند. مقادیر حلالیت به دست آمده در این پژوهش در مقایسه با سایر پژوهش های صورت گرفته کمتر بود. این عمل به دلیل مقادیر پایین قند در مقایسه با بیشتر آب میوه ها است. با افزایش غلظت ماده خشک، میزان حلالیت ابتدا افزایش سپس کاهش مییابد. این افزایش به علت حلالیت بالای ماده خشک در آب است و پس از غلظت مشخصی به دلیل بار سطحی ذرات این حلالیت کاهش می یابد.

نتیجه گیري

در این پژوهش تولید پودر آب پنیر با استفاده از خشک کن پاششی نیمه صنعتی با هدف بیشترین راندمان تولید و حداقل تغییر در ویژگی های فیزیکوشیمیایی با در نظر گرفتن صرفه اقتصادی انجام گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش دمای هوای ورودی راندمان تولید،حلالیت و پودر افزایش و مقدار رطوبت، دانسیته توده کاهش پیدا کرد. از طرفی با افزایش غلظت ماده خشک راندمان تولید پودر و حلالیت، افزایش و مقدار رطوبت و دانسیته توده کاهش پیدا کرد. با توجه به شرایط مناسب تولید این ترکیب و همچنین اثرات سلامتی بخش ثابت شده آن، امکان استفاده به عنوان مکمل های غذایی و دارویی و یا استفاده به عنوان ماده اولیه ارزان قیمت در کشت های تخمیری وجود دارد.

References

1. Anandharamakrishnan C, Rielly C, Stapley A. Effects of process variables on the denaturation of whey proteins during spray drying. Dry Tech 2007; 25(5): 799-807.
2. Anandharamakrishnan C, Rielly CD, Stapley AG. Loss of solubility of α-lactalbumin and β-lactoglobulin during the spray drying of whey proteins. LWT-Food Sci Tech 2008; 41(2): 270-7.
3. Fang Y, Rogers S, Selomulya C, Chen XD. Functionality of milk protein concentrate: Effect of spray drying temperature. B Biochem Eng J 2012; 62: 101-5.
4. Boonyai P, Bhandari B, Howes T. Stickiness measurement techniques for food powders: a review. Powder Tech 2004; 145(1): 34-46.
5. Gharsallaoui A, Roudaut G, Chambin O, Voilley A, Saurel R. Applications of spray-drying in microencapsulation of food ingredients: An overview. Food Res Int 2007; 40(9): 1107-21.
6. Cai Y-Z, Corke H. Production and properties of spray‐ dried Amaranthus betacyanin pigments. J Food Sci 2000; 65(7): 1248-52.
7. Miki N, Akastu A. Effects of heating sterilization on color of tomato juice. Nippon Shok Kog Gakkaishi 1970; 17: 175-81.
8. Zanoni B, Peri C, Nani R, Lavelli V. Oxidative heat damage of tomato halves as affected by drying. Food Res Int 1998; 31(5): 395-401.
9. Rattes ALR, Oliveira WP. Spray drying conditions and encapsulating composition effects on formation and properties of sodium diclofenac microparticles. Powder Tech 2007; 171(1): 7-14.
10. Peng Z, Li J, Guan Y, Zhao G. Effect of carriers on physicochemical properties, antioxidant activities and biological components of spray-dried purple sweet potato flours. LWT-Food Sci Tech 2013; 51(1): 348- 55.