Сегодня множество исследований в области питания подтверждает наличие в рационе современного человека дефицита белка по сравнению с другими компонентами пищи — углево­дами и жирами. Именно поэтому области использования белковых ингредиентов в последнее время расширяются [1].

Молочная сыворотка, как и все молоч­ное сырье, является одним из наиболее доступных источников полноценного белка. Благодаря уникальному амино­кислотному составу сывороточные белки имеют высокую пищевую ценность и широко используются при разработке современных рецептур функциональных продуктов диетического, спортивного и других видов специального питания. Более того, наблюдается тенденция использования добавок, специально раз­работанных для обогащения белками таких продуктов, как соусы, хлопья для завтрака и т.д. Особым направлением является использование сывороточных белков в детском питании при создании адаптированных или гуманизированных смесей для питания детей раннего воз­раста [2].

С расширением сферы применения белковых ингредиентов неизбежно воз­никает вопрос об их доступности на рынке, которая, в свою очередь, зависит от эффективности и доступности тех­нологических приемов, использующих­ся при производстве белковых ингре­диентов. Одной из технологий, которая пол­ностью изменила промышленную пере­работку сыворотки в целом и сделала процесс получения сывороточного белка экономически и технологически эффек­тивным, была, безусловно, мембранная фильтрация. Изначально основной при­чиной активного внедрения мембранных процессов стала необходимость обяза­тельной переработки подсырной сыво­ротки из-за ужесточившихся мер по охра­не окружающей среды. Наиболее доступной технологией оказалась сушка сыворотки, но процесс был очень энер­гетически затратен, поскольку в качестве сырья использовалась нативная сыво­ротка с содержанием сухих веществ порядка 6,5 % [2]. Поиск экономичных способов предварительного концентри­рования сыворотки перед сушкой и послужил толчком для внедрения мем­бранной фильтрации в молочную про­мышленность, в частности, установок обратного осмоса. Следующим шагом была разработка процесса ультрафильт­рации для получения из сыворотки про­дуктов с высокой добавленной стои­мостью. И наконец, к концу XX в. были внедрены два других фундаментальных мембранных процесса — нанофильтра­ция и микрофильтрация. Таким образом, с начала 1970-х годов способ ультра­фильтрационной обработки использу­ется в той или иной форме на всех совре­менных линиях переработки молочной сыворотки.

Рынок коммерческих белковых ин­гредиентов на основе молочной сыво­ротки представлен концентратами (КСБ), изолятами сывороточных белков (ИСБ), отличающихся по содержанию белков в сухом веществе [3], а также гидролизатами сывороточных белков (ГСБ). Распространение микрофильт­рации обезжиренного молока привело к появлению нового вида сырья, так называемой нативной или мицеллярной казеиновой сыворотки, и, как следствие, новых продуктов — нативного концент­рата и изолята сывороточных белков. Сегодня они мало распространены на рынке, но их популярность активно рас­тет, так как они обладают рядом пре­имуществ за счет специфичного состава белковой фракции [4].

В пределах указанных категорий кон­центраты и изоляты сывороточных белков как пищевые ингредиенты характери­зуются спектром показателей химиче­ского состава (массовая доля влаги, белка, лактозы, жира, золы и др.), без­опасности (КМАФАнМ, колиформы, E. coli, Salmonella и др.), оговариваемых в соот­ветствующей российской и зарубежной технической документации [5, 6].

Технологические свойства сывороточно-белковых концентратов

С точки зрения ингредиентов функ­ционального питания спецификации КСБ и ИСБ также обязательно должны содер­жать информацию о пищевой ценности продукта: аминокислотный профиль, показатели усвояемости белка (коэф­фициент эффективности белка (PER), биологическая ценность белка (BV), ами­нокислотный коэффициент усвояемости белков (PDCAAS)), профиль жирных кис­лот и углеводов, калорийность.

При использовании КСБ и ИСБ в про­изводстве других продуктов питания помимо вышеупомянутых свойств не­обходимо оценить их функции как пище­вого ингредиента (см. таблицу) [7].

И если состав, питательная ценность КСБ и ИСБ в первую очередь зависят от компонентного состава обрабатыва­емой сыворотки, то функционально-тех­нологические характеристики больше определяются особенностями процессов, используемых для производства продук­та. Это обязательно должны учитывать производители белковых ингредиентов.

Полная технологическая схема про­изводства КСБ и ИСБ включает ком­плекс технологических операций от при­емки и хранения сырья до упаковки и хранения готового продукта. Конечно, характеристика входящего сырья будет влиять как на качественные характе­ристики готового продукта, так и общий расход сырья на выработку единицы продукции. Расход также будет зависеть от вида вырабатываемого концентрата (см. рисунок).

Из ключевых операций, определя­ющих качество продукта при одинаковом качестве исходного сырья, можно выде­лить подготовку сыворотки к переработке, непосредственно мембранное фракцио­нирование сырья методом ультрафильт- рации/микрофильтрации и финишные операции, например сушку и др.

Целями предварительной обработки сыворотки являются как обеспечение эффективной работы мембранного оборудования, так и сохранение функ­циональных, технологический свойств и безопасности конечного продукта. Предварительная обработка сыворот­ки [4] должна обязательно включать очистку от жира и взвешенных частиц и тепловую обработку — пастеризацию или термизацию. Как правило, пасте­ризация с температурами до 70 °С не приводит к значительным изменениям функциональных свойств, хотя несколь­ко меняет минеральный профиль про­дуктов, уменьшая содержание кальция и магния [2]. Кроме этого могут быть задействованы процессы деминерали­зации, умягчения, регулировки рН, пред­варительного концентрирования, уда­ления фосфата кальция и т.д. Стоимость аппаратурного оформления, эксплуа­тационные расходы, влияние на белко­вый компонент сырья этих процессов могут быть весьма значительны, поэто­му решение о включении их в типовую линию должно быть тщательно обосно­вано требованиями к функциональности конечных продуктов.

Основной этап технологического цикла — мембранное фракционирование может включать только ультрафиль­трационное разделение сыворотки либо сочетание процессов ультра-, диа- и микрофильтрации. Диафильтрация используется при производстве концент­ратов с высоким содержанием белка, позволяя удалить большую часть лак­тозы и золы. Микрофильтрация удаляет остаточные липиды из концентратов белка или сыворотки, которые присут­ствуют не в форме отдельных жировых шариков, а скорее в форме липопро­теиновых комплексов. Такие комплексы имеют плотность, равную или превы­шающую водную фазу и, следовательно, не могут быть удалены обычными мето­дами разделения. Микрофильтрация положительно влияет на функциональ­ность белковых концентратов и изолятов, повышая уровень белка в сухом веще­стве до 90-95 %. Однако, как было отмечено ранее, включение дополни­тельной операции увеличивает себе­стоимость продукта и должно быть обосновано требованиями локального рынка белковых ингредиентов.

Общее влияние ультрафильтрации на функциональность сывороточных белков незначительно и не зависит от температурных режимов, хотя [2] отмеча­лось увеличение воздействия гидро­фобных групп белковых молекул без значительной потери растворимости.

Блок-схема производства КСБ/ИСБ из подсырной сыворотки

Все последующие операции, связан­ные с переработкой жидкого белкового концентрата до сухого продукта, должны быть направлены на сохранение техно­логических и функциональных свойств готового продукта и проводиться в мак­симально мягких

условиях. Например, необходимо по возможности избегать высокотемпературной обработки не­посредственно жидкого концентрата, которая негативно сказывается на эмуль­гирующей, гелеобразующей способно­сти сухих концентратов и их раствори­мости [3].

Ультрафильтрационные концентраты при производстве высокобелковых ингредиентов характеризуются доста­точно высоким содержанием сухих веществ — 24-30 % и более, среди кото­рых основную долю занимают сыворо­точные белки, т.е. такой концентрат имеет коллоидную природу. Вязкость УФ-концентратов возрастает с увеличе­нием массовой доли белка, снижением температуры и уменьшением сдвиговых воздействий. Чаще всего при нормаль­ных условиях (при 20 °С) вязкость бел­ковых концентратов является величиной непостоянной и продукт проявляет неньютоновский характер течения. При повышении температуры до 50 °С и интенсивном механическом воздействии характер неньютоновского поведения заметно снижается, гидродинамические характеристики улучшаются и обеспечи­вают требуемый средний размер капель при распылении в сушильной башне. Этот показатель особенно важен при сушке высокобелковых концентратов, содержащих довольно большое коли­чество жира в сухом веществе.

Сухие концентраты и изоляты сыво­роточных белков — очень легкие порош­ки с высоким содержанием поглощен­ного воздуха. Для уменьшения его доли при распылении используется форсунка под давлением.

Тепловые режимы распылительной сушки малоинвазивны: из-за быстрого нагрева и охлаждения за счет испарения внутренняя температура частиц про­дукта обычно не превышает 60 ° C, т.е. сушка критически не влияет на функ­циональные свойства концентрата. Тем не менее требуются строгий подбор и соблюдение условий нагрева продукта, подаваемого на сушку, чтобы миними­зировать возможность протекания реак­ции Майяра, вызывающей пороки вкуса и аромата концентратов и продуктов на его основе [8]. При необходимости соз­дания быстрорастворимых концентра­тов проводится агломерация — процесс создания небольших скоплений частиц, которые обеспечивают повышенную пористость и сокращают время диспер­гирования порошка в жидкостях.

Срок хранения сухих концентратов сывороточного белка зависит от их состава и условий хранения. В зависи­мости от производителя срок хранения сухих КСБ и ИСБ составляет от 6 до 36 мес при температуре порядка 20­25 °С, влажности 65-76 %. Что касается состава белковых концентратов, то изменения при хранении главным обра­зом связаны с лактозой: происходят лактозилирование белка, потемнение продукта за счет реакции Майяра. Чем выше содержание лактозы в продукте, тем выше вероятность возникновения функциональных изменений в процессе хранения. Безусловно, и белковая фрак­ция может подвергаться изменениям (частичной денатурации, полимериза­ции, циклизации), и жировая состав­ляющая (окислению липидов) [2, 8]. Но с практической точки зрения контроль содержания свободной лактозы в про­дукте может действительно помочь быстро определить стабильность сухих концентратов: любое уменьшение содержания свободной лактозы указы­вает на изменение структурных и (или) функциональных свойств порошков при хранении.

КСБ 80 АО «Молвест»

Таким образом, значительные объ­емы качественного сырья и современ­ные технологичные подходы к перера­ботке сыворотки путем использования мембранных процессов, характеризу­ющихся простотой обслуживания, низ­ким энергопотреблением, небольшим сроком окупаемости, делают техноло­гию производства концентратов и изо- лятов сывороточных белков инвести­ционно привлекательной. Особенно учитывая тенденции современного мирового рынка молочных ингредиен­тов к устойчивому повышению спроса на высокобелковые продукты [1].

Примером успешной реализации такого проекта в России является АО «Молвест», на площадке которого в 2019 г. специалистами компаний «ДМП» (Россия) и «Вздухоторг» (Словакия) совместно со специалистами молоко­перерабатывающего завода внедрена комплексная линия производства пер­вого российского концентрата сыворо­точного белка 80 %. Установленное обо­рудование позволяет предприятию из достаточно дешевого и доступного сырья получать функциональные бел­ковые ингредиенты высокого качества с высокой добавленной стоимостью, не уступающие зарубежным аналогам.

Список литературы

1. Global fundus camera market analysis & trends — industry forecast to2025, milk protein market [report] accuracy research. 2019. P.313.

2. Whey Proteins. From Milk to Medicine, 1st Edition, Editors: Hilton C Deeth Nidhi Bansal, Paperback ISBN: 9780128121245, eBook ISBN: 9780128121252. Published Date: 1st September 2018. — 746 p.

3. Володин, Д.Н. Перспективы производства сухих белковых ингредиентов на основе молочного сырья / Д.Н. Володин, А.С. Гридин, И.А. Евдокимов // Молочная промышлен­ность. 2020. № 1. С. 28-30.

4. Burrington, K.J. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities. Доступно по адресу: http://bit.ly/1clImgChttps://www.yumpu.com/en/ document/read/32392564/milk-fractionation- technology-and-opportunities-technical-report.

5. Swarnalatha, G. Different Approaches to Improve Thermostability of Whey Proteins: A Review / G. Swarnalatha, S. Mor // Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2019. V. 8. № 4. P. 1679-1688.

6. ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции».

7. International food standards (FAO/WHO Codex Alimentarius).

8. Carter, B. The effect of spray drying on the difference in flavor and functional properties of liquid and dried whey proteins, milk proteins, and micellar casein concentrates / B. Carter, H. Patel, D.M. Barbano, M. Drake // Journal of Dairy Science. 2018. V. 101. № 5. P. 3900-3909. DOI: 10.3168/jds.2017-13780. Epub 2018 Mar 1.