4.4 Структурно-механические характеристики концентратов сывороточных белков
В основу работы по определению вязкости сывороточных белковых концентратов легли эксперименты на таких вискозиметрах, как «Реотест-2», реогониометр Вайссенберга и вискозиметр Гепплера при различных значениях основных технологических параметров. Учитывая, что первые два типа вискозиметров характеризуются возможностью измерения вязкости при раз-
126
личных значениях градиента скорости, то это позволяет получить дополнительную информацию о вязкости продукта. Данные об основных физико-химических показателях исследуемых образцов приведены в таблице 4.4.1.
Таблица 4.4.1 - Физико-химические показатели УФ-концентратов
|
Массовая доля, % |
рН |
|
|
сухих веществ |
азотистых веществ |
|
|
10,2±0,2 |
4,0+0,1 |
6,23±0,05 |
|
13,9±0,4 |
7,2±0,2 |
6,28±0,05 |
|
18,4±0,4 |
10,25±0,2 |
6,31+0,05 |
Для выявления характерных особенностей поведения сывороточных белковых УФ-концентратов изучена зависимость вязкости от градиента скорости при различной температуре и массовой доле сухих веществ.
Результаты выполненных исследований представлены в таблице 4.4.2.Таблица 4.4.2 - Зависимость вязкости образцов от градиента скорости при различных температурах и массовой доли сухих веществ (Х±т; тlt;1,2)
|
Градиент скорости, с'1 |
Эффективная вязкость, туї О3 (Па-с) при массовой доле сухих веществ, % |
|||||
|
10,2+0,2 |
13,9+0,4 |
18,4+0,4 |
||||
|
Температура, °С |
||||||
|
20 |
50 |
20 |
50 |
20 |
50 |
|
|
Реотест-2 |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
16,2 |
71,3 |
49,6 |
92,8 |
70,4 |
148,6 |
97,3 |
|
27,2 |
42,6 |
35,1 |
71,5 |
44,8 |
85,2 |
67,7 |
|
48,6 |
25,5 |
21,2 |
39,7 |
24,5 |
56,7 |
38,5 |
|
81,0 |
12,9 |
10,4 |
21,9 |
13,9 |
36,4 |
20,6 |
|
145,8 |
7,75 |
5,86 |
12,7 |
10,8 |
18,7 |
11,9 |
|
243,0 |
4,91 |
3,51 |
7,83 |
6,01 |
12,14 |
7,12 |
|
437,4 |
3,11 |
1,94 |
5,42 |
3,18 |
7,02 |
3,85 |
127
|
Продолжение таблицы 4.4.2 |
|
|
|
|
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
729,0 |
2,23 |
1,32 |
4,63 |
2,21 |
4,87 |
2,67 |
|
1312,0 |
1,59 |
0,87 |
2,34 |
1,40 |
3,46 |
1,92 |
|
Реогониометр Вайссенберга |
||||||
|
1556,9 |
1,52 |
0,79 |
2,21 |
1,32 |
3,31 |
1,83 |
|
4906,25 |
1,41 |
0,70 |
2,12 |
1,20 |
3,16 |
1,67 |
|
Вискозиметр Гепплера |
||||||
|
|
1,78 |
0,96 |
2,95 |
1,68 |
3,92 |
2,23 |
Анализ результатов, приведенных в таблице 4.4.2, свидетельствует о том, что в исследуемом диапазоне массовой доли сухих веществ сывороточные белковые УФ-концентраты проявляют свойства неныотоновских (псевдопластических) жидкостей.
При этом величина вязкости значительно уменьшается с ростом градиента скорости независимо от массовой доли сухих веществ. Наибольшее, по абсолютной величине, изменение вязкости наблюдается в области малых значений градиента скорости и по мере увеличения его (начиная со скорости сдвига от 81 до 145 с-1) темп снижения вязкости замедляется. Особенно резкое снижение вязкости наблюдается по мере увеличения содержания сухих веществ, как это видно из рисунка 4.4.1.
160
о 120
2 80
40
л н о
о
Iс
га
ао
к га к
lt;и •©lt; •amp; С)
|
л] |
|
1 |
|
Ч} |
|
^?^^^ |
5 6 Ln V
Рисунок 4.4.1 - Зависимость эф
фективной вязкости УФ-
концентрата с массовой долей су
хих веществ 24,3% от градиента
скорости при температуре: 1 -
20°С; 2 - 50°С
Характерно, что изменение градиента скорости сдвига от 146 до 1557 с'1 при массовой доле су-
128
хих веществ в концентрате 10,2 и 18,4% приводит к уменьшению вязкости в 5 и 6 раз, соответственно. Уменьшение температуры с 50 до 20°С при V= 1312 с'1 ведет к увеличению вязкости в 1,8-2,0 раза. При этом влияние градиента скорости сдвига на величину вязкости при низкой температуре выражено значительно сильнее. Следует отметить, что характерная зависимость вязкости от градиента скорости сдвига, являющаяся следствием коллоидной природы концентрата, сглаживается в области больших значений градиентов. При этом величина вязкости стремится к своему предельному значению.
Значения вязкости, определенные на вискозиметре Гепплера, в целом хорошо согласуются с показаниями прибора «Реотест-2» при V= 1312 с"1.
Небольшое увеличение значений вязкости на этом приборе, по-видимому, связано с особенностями, возникающими при движении тела в жидкости.Аналогичные зависимости эффективной вязкости от градиента скорости получены при изучении свойств сгущенной молочной сыворотки и молока, сконцентрированного методом ультрафильтрации, что указывает на единую природу возникновения подобного механизма [72]. По-видимому, это связано с высокой концентрацией белка и взаимодействием его молекул, результатом которого является появление пространственной структуры.
90
75
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
V |
|
|
|
|
|
|
|
' |
Хч |
|
|
|
|
|
|
|
\ |
^ |
^ |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Одним из подтверждений наличия структуры в сывороточных белковых концентратах может служить их тиксотропия.
На рисунке 4.4.2 приведена зависимость эффективной вязкости УФ-концентрата от градиента скорости (при его увеличении) и обрат-ном направлении.
О
I60
«о
І Й 45 Й 2 30
и ¦
П 15
Рисунок 4.4.2 - Зависимость эффективной вязкости УФ-концентратов от градиента скорости при температуре 20°С и массовой доли сухих веществ 14,7%
5 6
Ln V
Как видно из рисунка, при
129
уменьшении градиента скорости (особенно после значений Ln Vgt;7) эффективная вязкость концентрата начинает резко возрастать и стремится к своему исходному значению. После снятия напряжения структура практически полностью восстанавливается, о чем свидетельствует наличие тиксотропии. Тик-сотропность белковых концентратов особенно явно проявляется с увеличением массовой доли сухих веществ, главным представителем которых являются азотистые вещества. Приведенные факты говорят о том, что силы взаимодействия между белковыми молекулами являются дальнодействующими. Соотношение между силами взаимодействия и периодом релаксации определяет темп изменения вязкости при различных значениях градиента скорости. Для решения практических задач представляет интерес изучение зависимости эффективной вязкости от массовой доли сухих веществ в концентрате. Такая зависимость поможет определить оптимальный уровень концентрирования в процессе ультрафильтрации и в целом оценить возможность циркуляции таких концентратов в электродиализной установке. На рисунке 4.4.3. приведена зависимость эффективной вязкости УФ-концентратов от массовой доли сухих веществ.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о /1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
¦^о |
|
/1 |
|
|
|
|
J.J» - |
|
|
"О |
^0 |
|
|
|
?~ |
pq |
V |
о |
|
|
|
|
|
|
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Массовая доля сухих веществ, %
Рисунок 4.4.3 - Зависимость эффективной вязкости УФ-концентратов с различной массовой долей сухих веществ при скорости сдвига 1312 с"1 и температуре: 1 - 20°С; 2 - 50°С
Анализируя полученные зависимости, следует отметить, что увеличение вязкости происходит на всем исследуемом интервале, однако, начиная с
130
массовой доли сухих веществ 18-20%, значения ее резко возрастают.
Сравнение вязкости при массовой доле сухих веществ 18 и 24% показывает на более чем двукратное увеличение значений последней. Таким образом, становится понятным резкое снижение скорости фильтрации при увеличении массовой доли сухих веществ более 20%.Приведенные факты являются достаточной аргументацией для определения оптимального уровня концентрирования методом ультрафчльтрации, что подтверждается работами других авторов [27, 200, 336]. Вместе с тем, вязкость УФ-концентратов значительно уменьшается при повышении температуры. Следовательно, при достаточно высокой массовой доле сухих веществ в концентратах сывороточных белков, полученных ультрафильтрацией, которая может быть регламентированной, процесс его электродиализной обработки целесообразно осуществлять при повышенных температурах. При этом снижение затрат на прокачку УФ-концентратов за счет снижения его вязкости, тем более значительно, чем выше в нем содержание сухих веществ. Полученные значения вязкости, во всем исследуемом интервале, не препятствуют принципиальной возможности циркуляции концентратов через узкие каналы электродиализатора.
Таким образом, характеризуя сывороточные УФ-концентраты, следует отметить, что они являются неньтоновскими жидкостями. Увеличение вязкости при концентрировании сыворотки до значений массовой доли сухих веществ 18-20%) носит практически линейных характер. Вместе с тем, величина вязкости значительно зависит от температуры. Все это обуславливает выбор оптимального температурного режима и уровня концентрирования при проведении процесса ультрафильтрации. Вышеприведенный анализ вязкостных свойств УФ-концентратов показывает, что наиболее важным из них является факт резкого уменьшения вязкости сыворотки с увеличением градиента скорости и невысокое ее значение при регламентированной концентрации сухих веществ. Это позволяет в целом предположить, что с точки зрения гидродинамики, проводить процесс электродиализного обессоливания возможно не
131
только сыворотки, но и сывороточных беловых концентратов, полученных методом ультрафильтрации. Полученные значения вязкости УФ-концентратов с массовой долей сухих веществ 18% совпадают со значениями вязкости подсгущенной сыворотки, деминерализация которой используется в промышленных условиях.