Внедрение мембранных технологий в процесс переработки молока в середине прошлого века произвело настоящую революцию в молочной промышленности, позволив как значительно усовершенствовать технологии выработки традиционных молочных продуктов, так и разработать широкую линейку ингредиентов на основе компонентов молочного сырья.

Термин «мембранная технология» принято использовать для обобщения процессов фракционирования и/ или концентрирования сырья с использованием полупроницаемых мембран. В зависимости от типа мембран (рис. 1) выделяют процессы обратного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации. Тип мембран является главным фактором, определяющим состав разбавленной фракции (пермеата), содержащей компоненты, способные проходить через мембрану, и концентрированной фракции (ретентата), включающей удерживаемые мембраной компоненты [1].

Рассмотрим использование процессов мембранного фракционирования применительно к технологии творога. В целом традиционный процесс производства творога можно условно разделить на три этапа (рис. 2). Первый – приемка и подготовка сырья к переработке, второй – получение и обработка сгустка и третий – подготовка готового продукта к реализации.

Из перечисленных выше мембранных процессов на первом этапе производства творога, главным образом, находят применение процессы ультрафильтрации и, в какой-то мере, микрофильтрации.

Процессы обратного осмоса и нанофильтрации обычно используются как альтернатива или дополнение к вакуумному выпариванию для снижения температурной нагрузки на сырье, экономии энергоносителей и т.д. В рамках традиционной технологии творога можно говорить о применении этих процессов для переработки творожной сыворотки, образующейся при обработке сгустка (рис.2) [1].

При концентрировании в установках обратного осмоса на мембранах с отсечкой по молекулярной массе, не превышающей 100 Да, в целевой фракции – ретентате – концентрируются практически все компоненты сухого вещества сырья (рис. 1). В пермеат или обратноосмотическую воду переходит лишь следовое количество минеральных веществ, поэтому он может использоваться в качестве технической воды на производстве. Нанофильтрационные мембраны за счет низкой селективности по отношению к одновалентным ионам концентрируют практически все компоненты сухого остатка молочного сырья, включая двухвалентные ионы. Одновалентные ионы и часть низкомолекулярных соединений переходят в пермеат. Поэтому ретентат, образующийся в результате мембранного концентрирования, представляет собой частично деминерализованную творожную сыворотку с массовой долей сухих веществ 18 – 22%, которая идет на дальнейшую переработку.

В процессе микрофильтрационной обработки сырья отделяются частицы размером от 0,1 до 10 мкм. В технологиях традиционных продуктов, в том числе творога, микрофильтрация с номинальным размером пор 0,8–1,4 мкм может использоваться для удаления бактериальных клеток (0,4–2,0 мкм) и спор из обезжиренного молока перед последующей обработкой. При этом в ретентате, концентрируется также жировая фракция и взвешенные частицы. Остальные компоненты сырья переходят в пермеат. Микрофильтрация считается одним из наиболее эффективных методов снижения бактериальной обсемененности сырья и позволяет удалять свыше 99% вегетативных и споровых форм микроорганизмов [2].

Процессы ультрафильтрации могут включаться в традиционную технологию творога как на первом, так и втором этапах производства. На первом этапе традиционной технологии творога ультрафильтрационная обработка может использоваться для стандартизации обезжиренного молока по массовой доле белка (рис. 2). Повышение содержания белка в среднем в 1,25 раза за счет ультрафильтрационного фракционирования с использованием мембран с отсечкой по молекулярной массе 10 кДа способствует увеличению выхода готового продукта, повышению эффективности работы оборудования творожной линии и т.д. [3].

На втором этапе процесс ультрафильтрации может использоваться для отделения сыворотки от творожного сгустка при производстве творога раздельным способом [3]: пастеризованное обезжиренное молоко предварительно сквашивается до pH (4,6–4,8), сгусток направляется на тепловую обработку (термизацию), а затем в ультрафильтрационную установку (рис. 2). Процесс проходит на мембранах с отсечкой по молекулярной массе 10 — 20 кДа. При этом достигается максимальный переход белков, в том числе сывороточных, в продукт, что увеличивает выход творога. Полученный творог с гладкой, пастообразной консистенцией направляется либо на фасовку, либо используется для выработки других творожных изделий.

При ультрафильтрации молока и творожного сгустка в результате мембранного фракционирования в пермеат переходит часть низкомолекулярных веществ: лактоза, минеральные соединения, небелковый азот, водорастворимые витамины. Разумеется, творожный пермеат по составу отличается от пермеата обезжиренного молока за счет образующихся в процессе сквашивания молока метаболитов молочнокислых микроорганизмов, включая органические кислоты. Тем не менее, как показывает опыт ООО «ДМП», мембранные технологии позволяют использовать оба вида сырья для производства сухого пермеата распылительной сушки [4].

Еще один аспект применения мембранных процессов в технологии творога и творожных изделий связан с включением в их рецептуры продуктов мембранной переработки молочного сырья с целью улучшения пищевой ценности и потребительских характеристик [5]. Наряду с большим количеством функциональных добавок немолочного происхождения одним из перспективных направлений является использование концентратов сывороточных белков (КСБ), вырабатываемых из молочной сыворотки путем мембранного фракционирования, т.е. фактически возврат фракции сывороточных белков в цикл переработки молока-сырья. Однако использование непосредственно концентратов сывороточных белков может оказывать негативное влияние на органолептические характеристики продуктов, за счет придания, так называемого «сывороточного» привкуса. Кроме того, часть белков концентрата будет вновь переходить в сыворотку и теряться при обработке сгустка.

В тоже время, концентраты сывороточных белков могут являться сырьем для производства микропартикулированных белков (МПБ), которые, в последнее время, набирают популярность как «имитаторы жира» при производстве низкожирных продуктов. В основе процесса микропартикуляции сывороточных белков лежит термомеханическая обработка КСБ с массовой долей белка в сухом веществе 55–80% в диапазоне температур, превышающих барьеры тепловой денатурации основных фракций сывороточных белков в условиях сильного механического воздействия. В результате чего происходит денатурация и агрегация белковых частиц с формированием сферических агломератов размером от 1 до 10 мкм (рис. 3) [6]. Находясь в денатурированном состоянии и имея на поверхности гидрофильные и гидрофобные участки, частицы белка становятся более стабильными и могут выполнять функции дисперсной фазы в любых системах независимо от значений рН и температуры. Иными словами, процесс микропартикуляции сывороточных белков позволяет получить микрочастицы правильной сферической формы, которые в пищевых системах будут выступать, как эмульгированные жировые шарики, придавая продуктам сливочный вкус и эластичную текстуру. Помимо этого, в результате денатурации и агрегации белков происходит усиление белизны и непрозрачности их растворов.

Рaзмер пoлученных aглoмерaтoв oкaзывaет влияние нa вoсприятие текстуры прoдуктoв питaния. Так, например, для придания сливочного вкуса размеры частиц должны находиться в пределах 0,1 – 0,3 мкм [5]. Технически процесс осуществляется следующим образом. Обезжиренная пастеризованная охлажденная подсырная сыворотка фракционируется методом ультрафильтрации [1], высокобелковая фракция — ретентат, подается в установку микропартикуляции (рис.4), нагревается до температуры обработки и поступает непосредственно в контур микропартикуляции, где проходит тепломеханическая обработка сырья. Концентрат, содержащий микропартикулированные сывороточные белки, поступает в секции охлаждения и доохлаждения и резервируется. В жидком виде концентрат МПБ может использоваться для выработки йогуртов, дессертов, мороженого и других продуктов, либо направляться на линию сушки. Первый вариант, исключающий необходимость организации участка сушки МПБ, может быть интересен при организации переработки небольших объемов сыворотки.

В традиционной технологии применение МПБ наиболее целесообразно при выработке низкожирного творога и творожных изделий (рис.2). Использование МПБ на первом этапе (рис.2) при подготовке сырья к заквашиванию позволяет скорректировать состав молока-сырья, увеличивая массовую долю белка в СОМО и массовую долю сухих веществ в целом. После внесения МПБ в сухом или жидком виде сырье гомогенизируется, пастеризуется, охлаждается до температуры заквашивания. Дальнейший процесс не отличается от традиционного производства творога. Можно отметить особую роль МПБ в случае выработки творога кислотным способом. Пространственная структура сгустков кислотной коагуляции белков менее прочная, поскольку формируется слабыми связями между мелкими частицами казеина и хуже выделяет сыворотку. Встраивание частиц микропартикулированного белка в структуру казеиновой матрицы влияет на консистенцию и реологические характеристики белкового сгустка за счет наличия гидрофильных участков молекул сывороточных белков и перекрывания микрокапилляров белкового матрикса. Они также участвуют в формировании казеинового сгустка и выполняют ту же роль, что и жировые шарики в традиционных продуктах. Благодаря этому внесение МПБ дает возможность получать достаточно прочный кисломолочный сгусток без значительного отстаивания сыворотки и увеличивает выход продукта до 10%. При этом низкожирный творог имеет нежную консистенцию, приятный мягкий сливочный вкус и более высокое содержание сывороточных белков по сравнению с традиционным продуктом.

Таким образом, интеграция мембранных процессов в технологию производства творога открывает новые возможности как для интенсификации производства одного из наиболее популярных на российском рынке белковых продуктов, так и для переработки вторичных молочных ресурсов на принципах максимального использования молочного сырья. Основываясь на многолетнем опыте, специалисты ООО «ДМП», осуществляют не только поставку мембранного оборудования, оборудования микропартикуляции, но и подбирают оптимальные, экономически целесообразные технологические решения для производства традиционных молочных продуктов или организации производства ингредиентов на основе компонентов молочного сырья.

Список литературы

1. Мембранные технологии переработки сыворотки: эффективные и рентабельные решения [Текст] / Д. Н. Володин, А. С. Гридин, В. К. Топалов [и др.] // Переработка молока: технология, оборудование, продукция. — 2022. — № 7. — С. 6-11
2. France, T.C.; Kelly, A.L.; Crowley, S.V.; O’Mahony, J.A. Cold Microfiltration as an Enabler of Sustainable Dairy Protein Ingredient Innovation. Foods 2021, 10, 2091. : [Электронный ресурс]. URL: https://doi.org/10.3390/foods10092091
3. Творожные сыры: как повысить эффективность использования сырья [Текст] / Д. Н. Володин, В. К. Топалов, И.А. Евдокимов, [и др.] // Молочная промышленность. – 2023. — №3. – С.13 – 15.
4. Эффективная технология переработки лактозосодержащего сырья: пути повышения качества пермеата распылительной сушки [Текст] / Д. Н. Володин, А. С. Гридин, И.А. Евдокимов, [и др.] // Переработка молока: технология, оборудование, продукция. — 2018. — № 8. — С. 14-16
5. Мельникова Е.И., Станиславская Е.Б. Применение микропартикулята сывороточных белков в технологии полутвердых сыров. Хранение и переработка сельхозсырья. 2019;(4):129-140. https://doi.org/10.36107/spfp.2019.199
6. Tanger С., Kulozik U., Development of new concepts for the optimization of the structure and sensory properties of reduced-fat food products by means of protein functionalization and molecular-sensory methods. — UFOP seminar on 2nd Novembre2021: [Электронный ресурс]. URL: https://www.ufop.de/index.php/download_file/view/10668/1809/