Успешное проектирования комплексных линий переработки молока в значительной степени зависит от нахождения компромисса между целым спектром параметров для обеспечения эффективного процесса производства при заданном составе молока-сырья и конечного продукта. Для решения задачи требуется подбор оптимального сочетания технологических приемов, учитывающих последние достижения молочной индустрии.

Одним из таких приемов буквально с момента внедрения в конце 1960 г стала мембранная фильтрация. Процесс предполагает фракционирование молочного сырья с использованием полупроницаемых мембран за счет разности молекулярных масс и размеров основных компонентов молока, предотвращая изменения, связанные с фазовыми переходами фракций, при использовании термического, ферментативного или химического воздействия [1]. На рис.1 приведена схема, которая обычно используется для иллюстрации мембранных процессов, используемых в молочной индустрии: микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. Схема достаточно наглядно демонстрирует возможности каждого из них: начиная с выделения достаточно крупных компонентов молочного сырья (жир, казеин) методом микрофильтрации и заканчивая концентрированием, удалением влаги, методом обратного осмоса.

Рисунок 1. Схема мембранных процессов, используемых в молочной индустрии

В целом, использование мембранных технологий в переработке молока за последние десятилетия сформировалось в два основных направления. Первое — это комплексные линии производства ингредиентов на основе молока, включающие комбинации практически всех мембранных процессов. Как правило, предприятия, на которых устанавливаются подобные линии, фокусируются именно на производстве концентратов и изолятов молочного белка, мицеллярного казеина, нативного сывороточного белка [2], сухого пермеата распылительной сушки, кристаллической лактозы.

Второе направление, не менее значимое, связано с интеграцией отдельных мембранных процессов в производство традиционных молочных продуктов.

Основная цель такой интеграции — заменить или сделать более эффективным традиционно используемые процессы переработки молока. С учетом специфики мембранной фильтрации, в первую очередь, основными точками интеграции являются этапы, связанные с корректировкой соотношения компонентов молочного сырья: стандартизация состава и концентрирование (рис.2).

Для концентрирования, другими словами, повышения массовой доли сухого молочного остатка, используется процесс обратного осмоса. Как правило, для нормального течения процесса сырье предварительно сепарируется. В результате при обработке обезжиренного молока образуется концентрированная фракция (ретентат), содержащая все компоненты обезжиренного молока, и фильтрат (пермеат), который может использоваться в качестве технологической воды (рис.2).

Рисунок 2. Мембранная фильтрация как эффективная альтернатива традиционным процессам переработки молока: а) с использование обратного осмоса и микрофильтрации; б) с использованием ультрафильтрации

Обычно обратноосмотическое концентрирование используется при необходимости сокращения затрат на транспортировку сырья или оптимизации процесса сгущения. Также определенный интерес представляет интеграция процесса в производственный цикл молочных продуктов, для которых стандартизация сырья по сухим веществам является обязательным этапом: сыры, кисломолочные продукты, мороженое. В этом случае дополнительным преимуществом является то, что мембранное концентрирование проводится при пониженных температурах, что исключает тепловое воздействие, предотвращая денатурацию белков, реакцию меланоидинообразования и т.д., и обеспечивает вкус и аромат, присущие свежему молоку [3].

Что касается нанофильрационной обработки, то наибольшее распространение этот процесс получил в линиях переработки молочной сыворотки и пермеата [4]. При переработке молока нанофильтрация упоминается в комбинации с ультрафильтрацией при получении низколактозного молока.

Для стандартизации молока-сырья по компонентному составу применяются процессы ультрафильтрации и микрофильтрации (рис. 1, 2). Ультрафильтрация позволяет регулировать содержание белка, не влияя на соотношение фракций казеин/сывороточные белки, поэтому процесс может интегрироваться в линии производства высокобелковых продуктов: сыров, творога, кисломолочных продуктов. Ультрафильтрационной обработке может подвергаться молоко обезжиренное, цельное и нормализованное по содержанию жира. В зависимости от технологических задач и поставщика мембранного оборудования при проектировании этапа ультрафильтрационной обработки используются низко- и высокотемпературные режимы, полимерные или керамические мембраны, различные конфигурации ультрафильтрационных модулей. При необходимости получения ретентата с высоким содержанием белка или/и пониженным содержанием лактозы, предусматривается шаг диафильтрации [1]. Ультрафильтрационный пермеат, который содержит низкомолекулярные компоненты сырья: лактозу, минеральные соли, низкомолекулярные пептиды и т.д., может быть использован при необходимости снижения содержания белка в исходном сырье, либо направляться на сушку [4].

Возможные варианты интеграции ультрафильтрации в традиционную технологию сыров подробно рассмотрены нами в [5]. В этом случае одним из наиболее широко используемых вариантов использования ультрафильтрации является корректировка сыропригодности молока путем повышения содержания белка в ретентате. Это обеспечивает стабильную работу поточных линий производства сыра, повышает эффективность работы оборудования. Такой же принцип используется при производстве творога (рис.2).

Интересным решением является включение шага ультрафильтрации в технологии молочных высокобелковых и низкобелковых напитков (рис. 2). В последнем случае целевой фракцией является пермеат – обезжиренное молоко с пониженным содержанием белка. Излишки белка концентрируются в ретентате и формируются в виде стандартного концентрата молочного белка, который может быть использован при выработке йогуртов, высокобелковых молочных продуктов и т.д.

Микрофильтрация может использоваться в нескольких направлениях. В первую очередь для «холодной стерилизации» молочного сырья, при которой клетки вегетативных и споровых форм микроорганизмов, соматические клетки удаляются практически на 99,9 % [6]. Микрофильтрационная обработка проводится в достаточно щадящем температурном диапазоне, сохраняя биологические, физико-химические, органолептические и технологические свойства сырья. В зависимости от первоначальной бактериальной обсемененности сырья, типа и размера пор мембран микрофильтрация позволяет снизить содержание микроорганизмов на 5-7 порядков, т.е. является альтернативой пастеризации и может заменить даже стерилизацию сырья [6].

Размеры пор микрофильтрационных мембран позволяют также удалять и жировую фракцию молочного сырья. Режимы процесса и размер пор мембран (рис.1) подбираются так, чтобы гарантировано задерживались жировые шарики. При этом самые крупные молочные белки, мицеллы казеина, должны беспрепятственно проходить через мембрану. Наибольшее распространение такой метод обезжиривания получил в производстве высокобелковых сывороточных концентратов и изолятов.

С точки зрения стандартизации молока-сырья по содержанию белка микрофильтрация не только повышает содержание белка в ретентате, но и изменяет соотношение казеин/ сывороточные белки (рис. 2). Этот прием распространен не так широко, как ультрафильтрация, хотя имеет определенные преимущества. В частности, отмечают улучшение органолептических свойств твердых сыров [7]. При микрофильтрации часть сывороточных белков, которые неизбежно переходят в подсырную сыворотку при обработке сгустка, проходит через мембрану в микрофильтрационный пермеат молока, также называемый нативной или идеальной сывороткой. Нативная сыворотка, в отличие от подсырной, не содержит остаточного жира, микроорганизмов, ферментных препаратов, метаболитов заквасочных микроорганизмов. Продукт может направляться на сушку, либо на производство нативного концентрата сывороточных белков, обладающего лучшими функционально-технологическими свойствами по сравнению с обычным КСБ [2]. Тем самым, микрофильтрация позволяет не только стандартизировать содержание белка в сырье до требуемого, но и получить фракцию, переработка которой может повысить экономическую эффективность ее использования.

Таким образом, интеграция различных видов мембранной обработки в линии переработки молока открывает дополнительные возможности совершенствования традиционных процессов переработки молока. Однако, как показывает многолетний опыт ООО «ДМП», решение об использовании мембранных технологий должно обязательно быть комплексным и включать переработку всех потоков, образующихся в процессе мембранной фильтрации. В этом случае интеграция мембранных процессов позволяет не только эффективно оптимизировать переработку молочного сырья, но и значительно повысить рентабельность производимой продукции.

Список литературы

1. Tamime, A. Y. Membrane Processing: Dairy and Beverage Applications. Chichester, West Sussex: Wiley-Blackwell, 2013.
2. Володин, Д. Н. Инновационный потенциал мембранного фракционирования обезжиренного молока / Д. Н. Володин, А. С. Гридин, В. К. Топалов, И. А. Евдокимов // Переработка молока: отраслевой специализированный журн. — 2021. — N 3. — С. 14-15
3. Dhineshkumar V, Ramasamy D. Review on membrane technology applications in food and dairy processing. J Appl Biotechnol Bioeng. 2017;3(5):399-407. DOI: 10.15406/jabb.2017.03.00077
4. Володин, Д. Н. Эффективная технология переработки лактозосодержащего сырья: пути повышения качества пермеата распылительной сушки [Текст] / Д. Н. Володин [и др.] // Переработка молока: технология, оборудование, продукция: отраслевой специализированный журн. — 2018. — N 8. — С. 14-16
5. Володин, Д. Н. Стандартизация молока по белку в технологии производства сыров / Д. Н. Володин, В. К. Топалов, И. А. Евдокимов, И.К. Куликова, Е.Ю. Иванченко // Сыроделие и маслоделие. — 2021.-№5. — С.34-35
6. Боу-Хабиб Дж., Тальхаммер В. Микрофильтрация в молочном производстве//Молочная промышленность. – 2009. — №2. – с.57-58.
7. Benoit, S. Integrating Pressure-Driven Membrane Separation Processes to Improve Eco-Efficiency in Cheese Manufacture: A Preliminary Case Study / S. Benoit, J. Chamberland, A. Doyen, M. Margni, C. Bouchard, Y. Pouliot // Membranes 2020. – .10 (10):287. — https://doi.org/10.3390/membranes10100287