Мембранные технологии начали применяться в молочной промышленности примерно с начала 1960-х годов и произвели настоящую революцию в молочной индустрии, позволив использовать более эффективные приемы переработки молочного сырья (табл. 1). Процессы мембранного концентрирования и разделения стали наиболее жизнеспособной альтернативой традиционным технологиям, применяемым при выработке молочных продуктов: сгущению, экстракции и др. [1].

В настоящее время мировое использование мембран в молочной промышленности оценивается в несколько сотен тысяч квадратных метров. Причем наиболее широко используются ультра- фильтрационные установки (рис. 1), около 2/3 всех мембранных установок применяют для переработки молочной сыворотки и только 1/3 для переработки молока [2].

С точки зрения фракционирования молоко является идеальным сырьем для мембранного разделения. Все основные компоненты молока имеют довольно широкий разброс по относительным раз- мерам частиц: жировые шарики – 10^–2 – 10^–3, казеинаткальцийфосфатный  комплекс – 10^–4 – 10^–5, сывороточные белки – 10^–5 – 10^–6, лактоза, минеральные соли и компоненты, находящиеся в истинных растворах, – 10^–6 – 10^–7. Это позволяет фракционировать молоко без изменения фазового состояния отдельных компонентов, минимизируя денатурирующее воздействие на белки, витамины и другие биологически важные компоненты перерабатываемого сырья [3].

Таблица 1. Виды мембранной фильтрации, применяемой в молочной промышленности

В производстве сыра мембранное фракционирование молока путем ультрафильтрации находит широкое применение, в первую очередь для повышения сыропригодности сырья.

В процессе ультрафильтрации часть молока под давлением проходит через мембрану с отсечкой молекулярной массы порядка 20 000 г/моль. Соединения с молекулярной массой, превышающей 20 000 г/моль (глобулярный жир, казеин, сывороточные белки и коллоидные соли), селективно концентрируются в ретентате, тогда как соединения с меньшей молекулярной массой (лактоза, соли, пептиды) переходят в пермеат практически в исходной концентрации. Межмицеллярное расстояние в концентрированном молоке (ретентате) сокращается более чем в 10 раз [4], что способствует более эффективному взаимодействию мицелл казеина между собой, приводя к быстрому образованию прочного сгустка.

Процесс может быть организован на установках мембранной фильтрации с использованием мембран с размером пор 0,01–0,1 мкм, полимерных (рис. 2) либо керамических.

Эффективность ультрафильтрационной обработки характеризуется фактором концентрирования (соотношение объема исходного сырья к объему сконцентрированной фракции – ретентату) и зависит от целого ряда факторов, в том числе цели обработки, вида обрабатываемого сырья, вида вырабатываемого сыра [5].

Например, при необходимости стандартизации молочного сырья по содержанию белка ультрафильтрация проводится на этапе его подготовки к формированию сычужного сгустка. Ультра- фильтрационной обработке может подвергаться как обезжиренное молоко, так и нормализованная смесь.

Рис. 1. Соотношение видов мембранной фильтрации, используемых в молочной промышленности

Обычно фактор концентрирования при ультрафильтрации обезжиренного молока составляет 1,4–2, что соответствует массовой доле белка от 4 до 6 % (табл. 2). Концентраты с повышенным содержанием белка нормализуются по содержанию жира и перерабатываются согласно технологическим схемам выработки того или иного вида сыров.

Таблица 2. Примеры материального баланса ультрафильтрации обезжиренного молока, нормализованной и сквашенной смеси

Это обеспечивает стабильную работу поточных линий производства сыра, творога, сокращает количество выделяемой сыворотки на 20–30 %; повышает эффективность работы оборудования [3].

При ультрафильтрации нормализованной смеси молочное сырье предварительно нормализуется по соотношению массовой доли жира и белка согласно установленным для выработки данного типа сыров нормам [6].

Рекомендации по коэффициенту кон- центрирования молока для выработки того или иного вида сыров различны.

Согласно нашему опыту и литературным данным смеси с коэффициентом концентрирования 1,2–2 могут успешно использоваться для производства большинства типов сыров. В этом случае ультрафильтрационная обработка обеспечивает содержание белка порядка 4–5 % (табл. 2), в том числе и за счет удержания части сывороточных белков. Повышение массовой доли сухих веществ способствует образованию прочного сгустка, сокращается рас- ход ферментных препаратов, хлористого кальция, снижаются потери белка в виде казеиновой пыли и т.д. Выход готового продукта увеличивается, соответственно, повышается экономическая эффективность выработки сыров.

Коэффициенты концентрирования от 2 до 6 позволяют значительно уменьшить количество отделяемой сыворотки.

Рис. 2. Установка для ультрафильтрационной обработки молочного сырья с полимерными мембранами

Однако использование высокого коэффициента концентрирования приводит к значительному изменению соотношения белок/жир/лактоза/минеральные вещества в целом. Существенно меняется соотношение свободных и связанных ионов, причем связанных становится больше, что, в свою очередь, влияет на скорость формирования сычужного сгустка, его физико-химические и реологические свойства.

Соответственно потребуются корректировки режимов обработки сгустка и постановки зерна для того, чтобы добиться процента удаления влаги и минеральных веществ из сгустка вместе с сывороткой, который обеспечит правильное течение метаболических процессов во время созревания сыра.

1. DadAD
2. adDadAD

Поэтому чаще всего производители твердых сортов сыра используют факторы концентрирования не выше 1,7, что позволяет не менять режимы и оборудование, используемые в традиционном процессе [7].

Применение высоких коэффициентов концентрирования с получением ретентата с массовой долей сухих веществ, равной этому показателю в готовом продукте, рекомендуется в технологии сыров с высоким содержанием влаги, например мягких сыров без созревания [6]. В этом случае в ретентат вносят фермент и заквасочные культуры, затем продукт направляют на фасовку. Структура и вкусовые характеристики продукта формируются в упаковке, практически полностью исключается образование сыворотки.

При производстве мягких сыров, творога для сокращения потерь и жира вместе с сывороткой, увеличения выхода готового продукта возможно использование ультрафильтрации непосредственно сгустка.

Таким образом, использование ультрафильтрации в производстве сыров и других высокобелковых продуктов дает ряд преимуществ как для потребителей, так и производителей: минимизирует неблагоприятные воздействия на компоненты сырья, предотвращая процесс денатурации белков и изменение вкусовых характеристик продукта; уменьшает нормы расхода сырья и вспомогательных материалов на выработку единицы продукции, сокращает потери.

Можно отметить, что при комплекс- ном подходе к организации производства сыров на молочном предприятии необходимо использовать комбинацию мембранных технологий, чтобы обеспечить переработку как основного сырья, так и подсырной сыворотки и пермеата [8].

Коллектив ООО «ДМП» совместно с научной школой А.Г. Храмцова и И.А. Евдокимова имеет многолетний положительный опыт внедрения мембранных технологий на нескольких десятках молочных предприятий. Предлагаемые технологические решения позволяют не только эффективно оптимизировать переработку молочного сырья, но и значительно повысить рентабельность производимой продукции.

Список литературы

1. Culhane, M. Driving cheese and ingredient business with the right technology. © 2019 Cheese Market News. Quarne Publishing, LLC доступно [Электронный ресурс]: https://www.cheesemarketnews.com/guestco- lumn/2019/25jan19_01.html.

2. Kumar, P. Perspective of Membrane Technology in Dairy Industry: A Review / P. Kumar [et al.] // Asian-Australis J Anim Sci. 2013. 26. 9. P. 1347–1358.

3. Суюнчев, О.А. Мягкие сыры с УФ- концентратами / О.А. Суюнчев [и др.] // Сыроделие и маслоделие. 2007. № 1. С. 21–22.

4. Le, T.T. Membrane separations in dairy processing / T.T.Le, A.D.Cabaltica, Van M. Bui // Journal of Food Research and Technology. 2014. January–March. V. 2. P. 1–14.

5. Mistry, V.V., Maubois J.-L. Application of membrane separation technology to cheese production / In: McSweeney P.L.H., Fox P.F., Cotter P.D., Everett D.W., editors. Cheese: Chemistry, Physics and Microbiology. 4th ed. Academic Press; Cambridge, MA, USA: 2017. P. 677–697.

6. Золоторёва, М.С. Интенсификация технологии сыров и творога с применением мембранных процессов / М.С. Золоторёва [и др.] // Сыроделие и маслоделие. 2016. № 3. С. 35–36.

7. Heino, A. Pre-treatment methods of Edam cheese milk. Effect on cheese yield and quality / A.Heino, J.Uusi-Rauva, M.Outinen // LWT- Food Sci. Technol. 2010. 43. P. 640–646.

8. Володин, Д.Н. Современный сыродельный завод: масштаб предприятия и масштаб модернизации / Д.Н. Володин [и др.] // Сыроделие и маслоделие. 2018. № 6. С. 32–33.