В современных условиях доступность и широкое распространение мембранных методов фракционирования все больше способствуют реализации концепции эффективной переработки молочного сырья, которая в отличие от производства традиционных потребительских молочных продуктов, предусматривает выработку сухих ингредиентов из молока.

Молочные ингредиенты уже на протяжении многих лет широко используются в самых разнообразных отраслях пищевой промышленности для повышения качества продуктов, придания им специфических функциональных свойств. Мировой рынок молочных ингредиентов считается одним из наиболее перспективных и показывает устойчивый рост, который, согласно прогнозам [1], составит около 5,1% в течение следующих пяти лет и достигнет 51000 млн долларов США в 2024.

С технологической точки зрения, молоко-сырье представляет собой сложную смесь нескольких водо- и жирорастворимых компонентов, индивидуальные свойства каждого из которых позволяют проводить направленное фракционирование с использованием разнообразных технологических приемов: от механического до хроматографического выделения индивидуальных компонентов (рис.1).

Рисунок 1. Схема выработки ингредиентов на основе цельного молока

Примеры компонентного состава высокобелковых концентратов на основе молока [6]

Ингредиенты, основой которых является жировая фракция молока представлены сухими сливками c различной массовой долей жира, сливочным маслом, обезвоженным молочным жиром. В определенной степени к этим продуктам можно отнести и сухую пахту. Интересно, что рынок сухой пахты, образующееся при производстве сливочного масла и содержащей большое количество фосфолипидов с высокими эмульгирующими свойствами, оценивается [2], как достаточно перспективный со стабильными темпами роста. Относительно новыми для рынка являются продукты, полученные на основе мембранного фракционирования пахты и выделения фракции липидов мембран молочных жировых глобул (milk fat globule membrane — MFGM). Эти специфические липиды формируются, когда клетки лактирующей молочной железы образуют каплю триглицерида, и включают белки и сигнальные молекулы, встроенные в клеточную мембрану [3]. Белки в MFGM составляют 1- 4% от общего количества белков в молоке, считается, что ряд из них обладает антимикробными свойствами, действует как факторы роста. Компании-производители ингредиента, содержащего MFGM фракцию, позиционируют такие продукты, как компонент детского питания для адаптации смесей к женскому молоку, и, помимо прочего, поддерживающий развитие мозга и когнитивные способности у младенцев [3].

Мембранное фракционирование обезжиренной фракции молока (рис. 2) может включать комбинации нескольких методов: микрофильтрация, ультрафильтрацию, диафильтрацию [4].

Рисунок 2. Сухие и восстановленные концентраты сывороточных белков из молока мКСБ (a) и подсырной сыворотки КСБ (б) [10]

Вне зависимости от используемых методов мембранной фильтрации сырье – обезжиренное молоко разделяется на две фракции: ретентат, содержащий белковые концентраты / изоляты, и пермеат, в составе которого преобладает углеводный компонент — лактоза и минералы. Как правило, пермеат используется для производства линейки сухих продуктов, содержащих в качестве основного ингредиента углеводную часть молока. Спектр таких ингредиентов достаточно широк: от пермета распылительной сушки до кристаллической лактозы различной категории качества, а также производных лактозы (лактулозы, галактоолигосахаридов, тагатозы), использующихся в качестве пребиотических добавок в пищевых и фармацевтических продуктах [5].

Коммерчески значимым продуктом на основе минеральных компонентов молока на сегодняшний день можно считать фосфат кальция, который получают при декальцинировании, умягчении, молочного сырья. Хотя можно отметить, что ведутся активные исследования и по использованию солевых концентратов.

Состав белковых ингредиентов, получаемых при мембранном разделении обезжиренного молока, определяется видом метода, используемого для фракционирования: ультрафильтрации или микрофильтрации.

Ультрафильтрация предполагает разделение систем на мембранах с размером пор в диапазоне 0,01 до 0,1 мкм. Концентрированная фракция в этом случае включает казеиновые мицеллы, сывороточные белки и жировые глобулы, остающиеся при сепарировании цельного молока. В сочетании с диафильтрацией метод используется для получения концентратов и изолятов молочного белка (КМБ /ИМБ), в которых соотношение казеин/сывороточные белки остается таким же, как и в цельном молоке (80:20), но отличается содержание общего белка в сухом веществе [4].

КМБ широко применяется в пищевой промышленности для производства сыров, кондитерских изделий, йогуртов, мороженого, мясных продуктах, хлебобулочных изделиях и т.д. ИМБ — ингредиент продуктов специального назначения. Например, ИМБ входят в рецептуры продуктов спортивного питания, продуктов для снижения веса, энтерального и лечебного питания и т.д.

Для процесса микрофильтрации применяются мембраны с размером пор в диапазоне 0,05 – 10 мкм. Из основных компонентов обезжиренного молока в этот диапазон укладывается только казеиновые мицеллы, а сывороточные белки переходят в пермеат. В зависимости от количества удаляемого сывороточного белка, микрофильтрация обезжиренного молока дает ряд концентратов мицеллярного казеина (КМК), которые имеют скорректированное соотношение казеин: сывороточный белок (табл. 1) [6]. Наиболее распространенным является продукт с соотношением 92:8.

Функционально-технологические свойства КМК и КМБ аналогичны. Однако за счет преобладания мицеллярного казеина, КМК является уникальным белковым концентратом, со свойствами, которые делают его идеальным ингредиентом для разнообразных пищевых продуктов: наличие в составе кальция, связанного с казеином; пониженное содержание лактозы; мягкий вкус; белый цвет сухого продукта, способность формирования сливочного вкуса и т.д. [7]. КМК может сохранять термостабильность при температуре выше 80°C, при пониженной температуре концентраты образуют термообратимый гель, который при нагревании переходит в жидкое состояние без изменения функциональности [8]. Область применения КМК связана с использованием его, как ингредиента для спортивного и функционального питания, а также для стабильных при хранении прозрачных белковых напитков, обогащением молочных продуктов, хлебобулочных изделий, мясных продуктов и др.

С точки зрения финансовой привлекательности КМК является одним из перспективных белковых ингредиентов. Согласно прогнозам [9] к концу 2027 года мировой рынок мицеллярного казеина достигнет около 1050 млн долларов США при среднегодовом темпе роста 6,1%, в то время как среднегодовой темп роста КМБ оценивается в 5,3%.

Микрофильтрационный пермеат молока, который также называют нативной сывороткой, в отличие от ультрафильтрационного, содержит растворимые сывороточные белки в нативном состоянии. В отличие от подсырной сыворотки микрофильтрационный пермеат не содержит остаточного жира, микроорганизмов, ферментных препаратов, гликомакропептида и других продуктов ферментного и микробного гидролиза, а также компонентов молочного сырья, образующихся при сычужном свертывании молока. Поэтому в качестве ингредиента сухая нативная сыворотка будет обладать рядом преимуществ, при использовании, например, в рецептурах смесей для грудного вскармливания, когда к компонентам, которые могут переходить в сыворотку в цепочке технологических операций переработки молока предъявляются особо жесткие требования.

Таким образом, фракционирование молока с использованием мембранных технологий является современной концепции безотходной технологии использования всех компонентов молочного сырья. Немаловажный фактор при реализации концепции – четкое понимание состава и свойств сырья и готовых продуктов, а также технологических этапов и единиц оборудования, обеспечивающих получение готового продукта требуемого качества. ООО «ДМП» совместно с Vzduchotorg, реализован целый ряд проектов, связанных с получением сухих ингредиентов, как из молочной сыворотки, так и из молока. Эффективность внедренных технологических решений является наглядным примером того, что производство ингредиентов на основе молока для российских предприятий является перспективной альтернативой эффективной переработки молочного сырья.

Список литературы

1. Global Dairy Ingredients Market 2021 Industry Size and Share, Growth, Business Challenges, Investment Opportunities, Demand, Key Manufacturers and 2024 Forecast Research Report // https://www.ktvn.com/story/44178548/global-dairy-ingredients-market-2021-industry-size-and-share-growth-business-challenges-investment-opportunities-demand-key-manufacturers-and-2024-forecast-research-report
2. Butter Milk Powder Market Size, Share 2021, By Industry Statistics, Progression Status, Emerging Demands, Recent Trends, Business Opportunity, Share and Forecast To 2026 Says [Электронный ресурс] Industry Research Biz. – May. 2021 //https://www.thecowboychannel.com/story/43998795/butter-milk-powder-market-size-share-2021-by-industry-statistics-progression-status-emerging-demands-recent-trends-business-opportunity-share-and
3. Vanderghem, C., Bodson, P., Danthine, S., Paquot, M., Deroanne, C., & Blecker, C. (2010). Milk fat globule membrane and buttermilks: from composition to valorization. Biotechnologie, Agronomie, Société et Environnement, 14, 485-500.
4. Володин Д. Н. Высокобелковые продукты на основе фракционирования молока / Д. Н. Володин и др. // Молочная промышленность : научно‐технич. и производств. журнал. ‐ 2020. ‐ N 9. ‐ С. 55‐58 . ‐ ISSN 1019‐8946
5. Лактоза и ее производные / Б. М. Синельников, А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов и др. СПб. : Профессия, 2007.
6. Micellar Casein Concentrate [Электронный ресурс] // https://www.thinkusadairy.org/assets/documents/ MCC_Spec_Sheet_06-08-15.pdf.
7. Carter B.G., Cheng N., Kapoor R., Meletharayil G.H., Drake M.A. Invited review: Microfiltration-derived casein and whey proteins from milk, Journal of Dairy Science, V 104, Issue 3, 2021, P 2465-2479, ISSN 0022-0302, https://doi.org/10.3168/jds.2020-18811.
8. Suthar J, Jana A, Balakrishnan S (2017) High Protein Milk Ingredients — A Tool for Value-Addition to Dairy and Food Products. Journal of Dairy, Veterinary & Animal Research 6(1): 00171. DOI: 10.15406/jdvar.2017.06.00171
9. Micellar Casein Market is posed to reach US$ 1,050 Mn globally by end of 2027 [Электронный ресурс] // Coherent Market Insights. April, 2020.// https://www.globenewswire.com/news-release/2020/04/30/2025393/0/en/Micellar-Casein-Market-is-posed-to-reach-US-1-050-Mn-globally-by-end-of-2027-Coherent-Market-Insights.html
10. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities Written by: Kimberlee (K.J.) Burrington Reviewed by: Shantanu Agarwal