Мы стремимся в ряду первых осваивать инновационные технологии и задавать тенденции молочной отрасли. Поэтому не упускаем возможности поучаствовать в мероприятиях, направленных на совершенствование методов достижения нашей главной цели — обеспечения молочных предприятий технологиями и оборудованием для производства качественной молочной продукции.
С 17 по 21 июля в городе Саяногорске прошел научно-практический семинар на тему «Адаптация современных технологических решений в условиях региональных молочных предприятий».
Директор ДМП, Дмитрий Николаевич Володин, выступил с докладом о производстве сухих ингредиентов из молока и молочной сыворотки. Также в рамках семинара обсудили следующие темы: — современные технологические решения в области производства кисломолочных напитков функционального назначения; — адаптация высокотехнологичных разработок в области получения лактозы и её производных в целях импортозамещения.
Благодарим организаторов семинара — Образовательный центр молочной промышленности.
Высокая биологическая ценность и особенности состава и свойств козьего молока, уже давно позволяют считать его уникальным сырьем, которое в настоящее время все более широко используется для создания целого спектра продуктов, оказывающих благотворное влияние на организм человека.
Компонентный состав козьего молока в целом близок коровьему (табл. 1 [1, 2]). Тем не менее имеется ряд существенных отличий, которые и делают козье молоко привлекательным сырьем для продуктов здорового питания. В частности, белковая фракция козьего молока, в отличие от коровьего, содержит меньшее количество αs1, -αs2— и γ-казеиновых фракций, а в сывороточных белках козьего молока доля α-лактальбумина выше. Считается, что низкий при употреблении козьего молока уровень αs1-казеина и повышенный β-лактоглобулина способствует образованию «мягкого» сгустка, что, в свою очередь, способствует более быстрому перевариванию белков пищеварительными ферментами. Помимо этого, низкое содержание основного аллергена αs1-казеина снижает, в определенной мере, аллергенный потенциал козьего молока [3].
Таблица 1. Усредненные показатели состава козьего, коровьего и женского молока [1, 2]
Показатель
Козье молоко
Коровье молоко
Женское молоко
Массовая доля общего белка, %
3,3
3,4
0,9
Массовая доля, % от общего белка:
αs2-казеина
16
27
4
αs1- казеина
–
34
30
β- казеина
51
9
8
ĸ- казеина
8
16
–
β-лактоглобулина
17
16
–
α-лактальбумина
6
4
25
Массовая доля, %:
лактозы
4,1
4,5
6,5
олигосахаридов
0,3
0,06
12
жира
3,5
3,0
3,4
Содержание кальция, мг/100 мл
121
87
26
Содержание фосфора, мг/100 мл
104
76
16
Содержание витамина A, МЕ/100 г
185,00
126,00
190,00
Содержание витамина D, МЕ/100 г
2,30
2,00
1,40
Содержание витамина В2, мг/100 г
0,21
0,16
0,02
Содержание ниацина, мг/100 г
0,27
0,08
0,17
Массовая доля жира и доля жирных кислот в козьем и коровьем молоке почти одинаковы. Однако в жире козьего молока преобладают коротко- и среднецепочечные жирные кислоты, а также жирные кислоты с разветвленной цепью, придающие козьему молоку характерный вкус. Более высокая диспергируемость жировых шариков козьего молока и наличие жирных кислот, всасывающихся без участия панкреатической липазы, в значительной степени облегчает усвоение козьего жира по сравнению с коровьим [4]. Углеводная фракция козьего молока помимо основного компонента – лактозы, содержит олигосахара, состав которых более приближен к женскому молоку. Поэтому козье молоко позиционируется также, как естественный источник олигосахаридов для смесей грудного вскармливания [5] Что касается витаминов и минералов, то козье молоко считается лучшим, чем коровье источником витамина В6, ниацина, витамина А и других. Тем не менее, как правило, при производстве питьевого козьего молока проводят дополнительное обогащение продукта, в частности премиксами с витамином D. Содержание кальция, фосфора, калия, магния, марганца и селена в козьем молоке выше, чем в коровьем. Содержание других минералов сопоставимо с таковыми в коровьем молоке, но считается, что минералы в козьем молоке обладают лучшей биодоступностью [6].
Ассортимент продуктов, вырабатываемых из козьего молока в России представлен, главным образом, пастеризованным и стерилизованным молоком, сырами, творогом и кисломолочными напитками. При этом в общей структуре потребления продукции из козьего молока сыры составляют более 40%. Сегмент сухих продуктов на основе козьего молока в России незначителен. Хотя мировой рынок за последнее время показывает активный прирост подобных продуктов [7]. В первую очередь это обусловлено все более широким использованием козьего молока в рецептурах смесей для детского питания, особенно в сегменте стартовых адаптированных смесей заменителей женского молока (Infant & Follow on), предназначенных для питания детей с рождения до 6 месяцев или до года [7].
Как самостоятельный продукт (табл. 2) сухое цельное и обезжиренное козье молоко производится во многих странах Европы, Новой Зеландии, Австралии и США. Продукт активно продвигается на розничном рынке, как альтернативный коровьему молоку. С другой стороны, как и в случае с коровьим молоком, выработка сухого козьего молока также обоснована необходимостью переработки сырья на молокоемкую продукцию, которая имеет длительный срок хранения и может быть использована в период межсезонья при производстве детского питания, сыров, мороженого, кисломолочных продуктов и т.д.
Таблица 2. Пример спецификации сухого цельного и обезжиренного козьего молока
Показатель
Молоко козье цельное сухое, medium heat (CBM, Нидерланды)
Технологическая линия выработки сухого козьего молока включает операции приемки, резервирования сырья, его механической и тепловой обработки, сгущения, сушки и упаковки готового продукта.
Поскольку качество готового продукта в первую очередь определяется качеством используемого сырья, для производство сухого козьего молока используется свежее молоко, без посторонних привкусов и запахов, не имеющее значительных отклонений от среднего состава и свойств. По аналогии с коровьим молоком, козье молоко также нормализуется до требуемого содержания жира (26 – 40% в сухом веществе для цельного молока и не более 1,5% для обезжиренного, табл. 2) путем сепарирования, затем, направляется на пастеризацию. При необходимости повышения микробиологических показателей готового продукта возможна интеграция в линию оборудования для удаления микроорганизмов методом бактофугирования либо микрофильтрации.
Режимы пастеризации оказывают большое влияние на функциональные свойства сухого молока в целом, поэтому комбинации температуры и времени тепловой обработки могут широко варьироваться. Как правило, используется высокотемпературный режим: 85 — 90о C с выдержкой 20 – 30 с. При необходимости снижения степени денатурации сывороточных белков, которая контролируется WPNI (Whey Protein Nitrogen Index) индексом, могут использоваться более мягкие режимы пастеризации. Поскольку функциональные свойства, такие как растворимость, гелеобразование, эмульгирование, нативных и денатурированных сывороточных белков отличаются, то и направление использования сухого молока с различной степенью денатурации сывороточных белков, в том числе и козьего, также различны.
После пастеризации нормализованная смесь или обезжиренное молоко сгущается до массовой доли сухих веществ 48 – 50% на вакуум-выпарных аппаратах с падающей пленкой, в которых используют однократный проход концентрируемого сырья через греющую поверхность, что существенно сокращает время теплового воздействия на компоненты сырья и способствует получению продукта высокого качества [8]. После сгущения продукт с температурой ниже температуры кипения, 50-60 0С, подается на распылительные сушильные установки.
При производстве цельного молоко сгущенный продукт предварительно гомогенизируется. Для сушки, как правило, используется двухстадийная распылительная сушилка. Сгущенный продукт подается на распылительное устройство (форсунку или диск) сушильной камеры, распыляется в сушильной среде и высушивается до влажности 6 – 8 %. Досушка продукта происходит на второй ступени в статическом псевдоожиженном слое интегрированного виброфлюидного дна. Сухой продукт из сушилки направляется в бункеры хранения и на фасовку. 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 не оказывает критического влияния на функциональные свойства готового продукта. При необходимости создания быстрорастворимого молока, может предусматриваться агломерация — процесс создания небольших скоплений частиц, которые обеспечивают повышенную пористость и сокращают время диспергирования порошка в жидкостях. Таким образом, сухое козье молоко можно рассматривать, как перспективный продукт, который может позиционироваться самостоятельно в сегменте продуктов здорового питания, а также использоваться в качестве сухого ингредиента при выработке продуктов на основе козьего молока. ООО «ДМП» совместно с компанией «Вздухоторг» может предложить практическую реализацию линии, с учетом опыта, накопленного при внедрении как современных высокоэффективных технологии получения сухих ингредиентов из молочного сырья, так и сухого козьего молока.
2. Compositional and therapeutic signatures of goat milk: A review. BHN Sonu KS. International Journal of Chemical Studies 8 (2), 1013-1019, 2020.
3. Muñoz-Salinas, F.; Andrade-Montemayor, H.M.; De la Torre-Carbot, K.; Duarte-Vázquez, M.Á.; Silva-Jarquin, J.C. Comparative Analysis of the Protein Composition of Goat Milk from French Alpine, Nubian, and Creole Breeds and Holstein Friesian Cow Milk: Implications for Early Infant Nutrition. Animals 2022, 12, 2236. https://doi.org/10.3390/ ani12172236
4. Козье молоко как сырье для детского питания / С. В. Сомоненко [и др.] // Переработка молока: отраслевой специализир. журнал. — 2018. — N 12. — С. 32-34 .
5. Nayik GA, Jagdale YD, Gaikwad SA, Devkatte AN, Dar AH, Ansari MJ. Nutritional Profile, Processing and Potential Products: A Comparative Review of Goat Milk. Dairy. 2022; 3(3):622-647. https://doi.org/10.3390/dairy3030044
6. Teixeira JLDP, Baptista DP, Orlando EA, Gigante ML, Pallone JAL. Effect of processing on the bioaccessibility of essential minerals in goat and cow milk and dairy products assessed by different static in vitro digestion models. Food Chem. 2022 Apr 16;374:131739. doi: 10.1016/j.foodchem.2021.131739. Epub 2021 Dec 1. PMID: 34875438.
7. The Worldwide Goat Milk Products Industry is Anticipated to Reach $17.9 Billion by 2030
8. Современное оборудование для сгущения молочного сырья / Д. Н. Володин [и др.] // Молочная промышленность : научно-технич. и производств. журнал. — 2018. — N 10. — С. 11-13 . — ISSN 1019-8946
С точки зрения промышленной переработки молочная сыворотка прошла довольно долгий путь от побочного продукта, необходимость в утилизации которого была вызвана только нормативными ограничениями сброса органических отходов, до ценного сырья для производства высокорентабельных функциональных ингредиентов. Соответственно менялись как технологические приемы переработки сыворотки, так и оборудование, использующееся для их реализации.
Мембраны микрофильтрации позволяют производить очистку от коллоидных соединений, взвесей и бактерий.
Так, при возврате сыворотки на выпойку скота, либо при выработке кормовых продуктов затраты на ее переработку стремились максимально снизить путем использования относительно недорогих процессов механической и тепловой обработки в сочетании со сгущением и сушкой. Выделение белковой фракции главным образом сводилось к термокислотной коагуляции сывороточных белков с получением так называемых сывороточных сыров типа Рикотты или альбуминного творога.
Отечественные научные исследования в области разработки и применения мембранных технологий в молочной промышленности были начаты во второй половине 1970-х гг., и уже в 1977 г. были выданы исходные требования на проектирование ультрафильтрационных установок на мембранах первого поколения. Примечательно, что в этот период времени в СССР была издана и первая в мире монография, посвященная мембранным методам переработки молока [1].
Фильтрационные установки состоят из блока фильтрации, насосного агрегата, трубопроводов обвязки, запорной арматуры, расходомера и электрооборудования.
Первые отечественные промышленные установки плоскорамного типа (А1-ОУС, А1-ОУВ) для ультрафильтрации молока и сыворотки появились в середине 80-х гг. XX в. на нескольких предприятиях: производственно-экспериментальном заводе НПО «Углич», Владимирском молочном комбинате, Воронежском городском молочном заводе, производственно-экспериментальном заводе ВНИМИ, Александровском маслосыродельном заводе и др. Однако недостаток фундаментальных исследований в области создания мембран и мембранных процессов, а также опыта конструирования подобных установок сказался при разработке и внедрении промышленного оборудования. Огромной проблемой стали значительные объемы побочных продуктов мембранного разделения сыворотки, которые не перерабатывались, что приводило к нерациональному использованию сырья. К тому же промышленное производство моющих средств для мембранного оборудования еще не было организовано, что критически сокращало срок его эксплуатации.
Спиральные мембраны доступны из различных материалов, разного диаметра и длины. Они быстро стали самым распространенным из всех доступных конфигураций мембран
Последующее развитие молочной отрасли, возрастающие объемы производства сыра, а значит, и сыворотки привели к тому, что сыворотка стала рассматриваться как сырье, из которого может быть выделен широкий спектр компонентов, в основном белковых, обладающих высокой питательной и биологической ценностью (табл. 1 [2]).
Реализация такого фракционирования стала возможной с внедрением в конце 70-х гг. ХХ в. мембранных технологий в промышленных масштабах.
Таблица 1. Состав и свойства сывороточных белков [2]
Белковая фракция
Изоэлек.точка (pl)
Молекулярная масса (кДа)
Массовая доля, % общего белка
Функциональные характеристики
β -лактоглобулин
5,2
18,4
30,0–55,0
Антигипертензивная и антиканцерогенная активность, эмульгирующие свойства
α-лактальбумин
4,5–4,8
14,2
20,0–25,0
Антигипертензивное, антиоксидантное действие
Бычий сывороточный альбумин
4,7–4,9
66,5
5,0–10,0
Антиканцерогенная и антиоксидантная активность
Иммуноглобулины
5,5–8,3
150,0–1000,0
10
Антихолестериновое, противомикробное и противовирусное действие
Протеозопептонная фракция
3,7
4,0–22,0
12,0
Усиливает выработку антител
Гликомакропептид
4,3 – 4,6
6,8
30,0–55,0
Противовоспалительные и иммунодепрессивные характеристики
Лактоферрин
7,0–7,9
78,0
1,0–2,0
Противовоспалительная и антимикробная активность
Лактопероксидаза
9,5
89,0
0,5
Бактериостатическое, бактерицидное и противогрибковое действие
Это позволило перевести переработку молочной сыворотки на технологически новый уровень, сделать ее действительно эффективной и за последние десятилетия сформировать ряд бизнесс-моделей производства ингредиентов на основе молочной сыворотки с высокой добавленной стоимостью и быстрыми темпами роста на рынке [3].
Сегодня мембранные процессы охватывают широкий диапазон извлечения компонентов молочного сырья: от ионов до коллоидных частиц, без фазовых превращений, реагентных и высокотемпературных воздействий. Общая мембранная площадь установок предприятий молочной промышленности мира оценивается более чем в 1 млн м2. Причем около 70 % этих мощностей используется для переработки молочной сыворотки. Постоянная модернизация и совершенствование мембранного оборудования, наряду с более глубоким пониманием функциональных свойств ингредиентов молочного сырья, привели к тому, что участки мембранного фракционирования стали практически обязательным элементом современного молочного предприятия.
Как известно, сущность процессов мембранного разделения заключается во фракционировании с использованием мембран, которые действуют как полупроницаемый барьер, избирательно (частично или полностью) ограничивая прохождение одного или нескольких компонентов сырья. Поток сырья распределяется по поверхности мембраны, при этом компоненты, удерживаемые на мембране, образуют концентрированную фракцию (ретентат), а те, которые проходят через нее, образуют поток пермеата. Состав ретентата и пермеата зависит от размера пор мембран, которые принято делить на 4 группы (рис. 1) в соответствии с видом мембранного процесса: микрофильтрацию (МФ), ультрафильтрацию (УФ), нанофильтрацию (НФ) и обратный осмос (ОО). С изменением размера пор мембран, отсечения по молекулярной массе изменяется и рабочее давление процесса. Чем меньше размер удерживаемых частиц, тем меньший размер пор и отсечения у используемых мембран, и тем большее давление потребуется для обеспечения фракционирования.
Рисунок 1. Характеристики процессов мембранного разделения молочной сыворотки
Эффективность мембранного разделения принято выражать фактором объемного концентрирования: соотношение объема исходного сырья к объему сконцентрированной фракции – ретентату [4]. Чем выше фактор концентрирования, тем больше целевого компонента или компонентов будет содержаться в ретентате.
Несмотря на большое разнообразие материалов и вариантов мембран, фракционирование сыворотки, как и другого молочного сырья, проводится с использованием полимерных или керамических мембран.
Полимерные мембраны появились раньше керамических и, по сути, явились своеобразными аналогами биологических мембран. При создании этого типа мембран, как, впрочем, и керамических, был реализован принцип анизотропии (наличие тонкого селективного слоя и обеспечивающей механическую прочность подложки), позволяющий значительно ускорить процесс мембранного разделения. Собственно момент создания полимерных мембран первого поколения на основе ацетатцеллюлозы в 60-е гг. ХХ в. и принято считать внедрением мембранных процессов в промышленном масштабе. В первую очередь это касалось водоподготовки. Появление мембран второго поколения на основе полисульфонамида в 70-е гг. ХХ в. позволило усовершенствовать процесс и расширить сферы использования. Современные полимерные мембраны не подвергаются воздействию микроорганизмов, выдерживают довольно широкий диапазон рН и температур, обладают высокой селективностью и производительностью. Тем не менее, в отличие от керамических, полимерные мембраны чувствительны к воздействию сильных окислителей, что приводит к определенным ограничениям при выборе моющих средств.
Промышленное использование керамических мембран началось несколько позже полимерных, примерно в 80-е годы XX в. По сравнению с полимерными, керамические мембраны более устойчивы к механическим, химическим (рН от 0 до 14) и термическим (до 300 °С) воздействиям, имеют более долгий срок эксплуатации (до 10 лет), но за счет хрупкости геометрическая форма таких мембран ограничивается трубками или многоканальными блоками, что, соответственно, ограничивает и площадь фильтрующей поверхности. На начальных этапах разработки мембранного оборудования керамические элементы позволили оптимизировать конструкцию и создать новые технологии переработки молочного сырья. Сегодня практически 80 % используемых в молочной промышленности мембран составляют полимерные [1].
Основными характеристиками мембран являются селективность, проницаемость и скорость разделения. Селективность, или задерживающая способность, мембран выражается степенью перехода компонента в пермеат. Проницаемость, удельная производительность, при данном давлении определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны.
Оба параметра обусловлены конкурирующими взаимодействиями компонента с поверхностью мембраны не только за счет размера, молекулярной массы, заряда, но и даже формы молекул разделяемых веществ, поэтому подбор мембран является достаточно сложным процессом, требующим большого практического опыта.
Скорость разделения компонентов молочного сырья зависит как от характеристики используемых мембран, включая толщину, площадь и диаметр пор мембраны, так и от эксплуатационных параметров (давление, рН, температура и др.) фильтрационных модулей.
При обработке сыворотки обычно используются компактные установки с мембранными модулями рулонного типа. Рулонные модули обеспечивают высокую плотность упаковки мембран в единице объема, относительно низкие потери давления, удобство монтажа и демонтажа элементов, гибкость при проектировании технологических линий мембранной обработки. В рулонных модулях реализовано тангенциальное фильтрование, когда поток сырья с необходимым давлением направлен вдоль поверхности мембраны, для того чтобы минимизировать влияние концентрационной поляризации и осадка, образующегося на мембранной поверхности [6].
Следует отметить, что на образование осадка оказывает значительное влияние рН среды за счет смещения равновесного состояния в системе минеральные вещества – белок. Так низкие значения рН приближают сывороточные белки к изоэлектрической точке, вызывая тем самым снижение их растворимости, а значит и засорение мембранной поверхности. Высокие рН способствуют образованию нерастворимого осадка фосфата кальция, который также осаждается на мембране, снижая ее производительность. Как правило, рН каждого мембранного процесса является определенным компромиссом, позволяющим поддерживать растворимость минеральной и белковой составляющей.
Температурные режимы мембранной обработки имеют довольно широкий диапазон, который лимитируется составом и свойствами сырья, решаемой технологической задачей, типом используемых мембран и т.д. При переработке молочного сырья, в частности молочной сыворотки, температура процесса должна обеспечить достаточную эффективность разделения и его микробиологическую безопасность, при минимальном воздействии на компоненты. Увеличение температуры обработки повышает интенсивность процесса мембранной фильтрации, но может оказывать негативное воздействие на сывороточные белковые фракции и солевое равновесие. Время непрерывной работы установки между мойками, при «теплом» режиме сокращается, т.к. такая температура является толчком для развития термофильной микрофлоры. Увеличение времени воздействия на мембраны моющих веществ возрастает, тем самым снижая срок их эксплуатации. Выбор температурного режима в каждом случае проводится индивидуально в зависимости от качества, состава сырья и решаемых технологических задач. Тем не менее наиболее распространенным и оправданным с микробиологической точки зрения является так называемый режим холодной фильтрации (5–12 °С).
Рассмотрим варианты использования отдельных процессов мембранной фильтрации в технологиях переработки сыворотки.
Обратный осмос и нанофильтрация (ОО и НФ)
ОО и НФ получили распространение при обработке практически всех видов молочного сырья как альтернатива или дополнение к тепловым процессам концентрирования, например вакуумному выпариванию. Преимуществом мембранного концентрирования является снижение температурной нагрузки на сырье, экономия энергоносителей, повышение качества готовых продуктов [7].
В случае концентрирования молочной сыворотки методом ОО используются мембраны с отсечкой по молекулярной массе, не превышающей 100 Да. В целевой фракции – ретентате, концентрированной сыворотке с массовой долей сухих веществ 18–20 %, задерживаются практически все компоненты (рис. 1, табл. 2). Пермеат – ОО-вода содержит следы минеральных соединений и может использоваться на технические нужды.
В отличие от ОО-мембран, НФ-мембраны имеют в среднем размер пор до 2,0 нм и отсечку по молекулярной массе до 1000 Да [4]. За счет низкой селективности по отношению к одновалентным ионам, помимо высокомолекулярных соединений, в НФ-ретентате задерживается основная масса двухвалентных ионов и сахаров, главным образом лактозы. Одновалентные ионы, незначительная часть сахаров, низкомолекулярные азотистые вещества переходят в пермеат (рис. 1, табл. 2).
Таблица 2. Усредненный баланс ОО и НФ концентрирования подсырной сыворотки
Компоненты
Подсырная сыворотка
Ретентат
Пермеат
ОО
НФ
ОО
НФ
Истинный белок, %
0,55
1,71
2,00
—
—
Небелковый азот, %
0,20
0,47
0,49
0,07
0,09
Лактоза, %
4,38
13,64
15,64
—
0,11
Кислота, %
0,12
0,37
0,36
—
0,03
Зольность, %
0,55
1,66
1,34
0,02
0,25
Жиры, %
0,05
0,16
0,18
—
—
Сухие вещества, %
5,85
18,00
18,00
0,10
0,47
Баланс, кг
10 000
3 212
2 755
6 788
7 245
Коэффициент концентрирования
—
3,1
3,6
—
—
Целевой фракцией в данном случае является также ретентат – частично деминерализованная концентрированная сыворотка с массовой долей сухих веществ 18–27 %.
Уровень деминерализации может быть различным и зависит от вида и минерального состава обрабатываемой сыворотки. Более полное удаление солей и максимальный фактор концентрирования могут быть достигнуты при дополнительном использовании процесса диафильтрации: повторной обработке ретентата, разбавленного водой [7].
НФ-пермеат также может использоваться в качестве технической воды после дополнительной обработки.
Для этой цели служит процесс ОО, так называемый обратноосмотический полишер, который эффективно очищает НФ-пермеат, удаляя все низкомолекулярные соединения. Использование обратноосмотического полишера позволяет восстановить от 85 до 90 % воды для нужд собственного производства и экономить ресурсы питьевой воды централизованного водоснабжения.
Ультрафильтрация (УФ)
Ультрафильтрация на сегодняшний день является одним из самых распространенных методов фракционирования и / или концентрирования сывороточных белков. С этой целью применяются УФ-мембраны с отсечением от 10 кДа (иногда 5 кДа) до 500 кДа, при градиенте давлений от 0,1 до 1 МПа. Целевой фракцией при УФ-обработке является ретентат – концентрат сывороточных белков (КСБ). Хотя внедрение первых процессов УФ-обработки сыворотки было вызвано необходимостью удаления неуглеводных компонентов при производстве лактозы из подсырной сыворотки [8].
Содержание белка в сухом веществе УФ-ретентата, КСБ, напрямую зависит от коэффициента объемно го концентрирования. Для КСБ-35, например, этот показатель составляет 4,5–7,0, для КСБ-60 – уже 13–20. В сочетании с разбавлением водой (диафильтрацией) при ультрафильтрации сыворотки может быть достигнут коэффициент концентрирования 30–35, что будет соответствовать массовой доле белка в сухом веществе КСБ 75–85 % (табл. 3).
Таблица 3. Усредненный баланс УФ и УФ с диафильтрацией подсырной сыворотки
Компоненты
КСБ 34
КСБ 60
КСБ 80
КСБ 82
Подсырная сыворотка, кг/сут
10 000
10 000
10 000
10 000
Диафильтрация
—
—
+
+
Пермеат, кг/сут
8370,40
9524,60
11200,60
11737,80
Пермеат, СВ
4,7 %
4,9 %
4,4 %
4,3 %
Жидкий КСБ, кг/сут
1629,60
475,40
232,60
225,40
Жидкий КСБ, СВ
9,7 %
18,3%
27,0 %
27,0 %
Коэффициент объемного концентрирования
6,1
21,1
42,9
44,4
Содержание компонентов, г в 100 г сухого вещества
Истинный белок, %
33,65
60,10
81,88
84,17
Небелковый азот, %
2,92
2,40
1,46
1,25
Лактоза, %
52,71
26,56
6,67
4,79
Кислота, %
1,46
0,73
0,21
0,10
Зола, %
6,25
4,79
2,40
2,08
Жир, %
3,02
5,42
7,40
7,60
Степень концентрирования сыворотки по белку при использовании диафильтрации только до определенного момента зависит от коэффициента концентрирования. Затем концентрация белка увеличивается за счет количества используемой диафильтрационной воды для вымывания растворимых небелковых компонентов. Фактором, который ограничивает предельную концентрацию белка в КСБ (около 80 %), является остаточный жир (до 8 % в сухом остатке) за счет удерживания его УФ-мембранами.
Эта проблема не возникает при УФ нативной сыворотки, образующейся при фракционировании мицеллярного казеина при микрофильтрации обезжиренного молока, поскольку МФ-мембрана в данном случае, задерживает как казеин, так и жиры. Образующийся при этом пермеат, нативная сыворотка, направляется на УФ-фракционирование, которое позволяет получить нативный КСБ с содержанием белка в сухом веществе порядка 90 % без дополнительных операций по удалению жира.
Коммерческие формы КСБ включают продукты с содержанием белка от 34 до 80 %. Широкий разброс значений обоснован разнообразием конечных потребителей. КСБ с низким содержанием белка конкурирует со сферами использования сухого обезжиренного молока. КСБ с более высоким содержанием белка включается в качестве функционального ингредиента в смеси для спортивного, диетического и специализированного питания [8].
Производство КСБ влечет за собой получение побочного продукта – пермеата, объемы которого сопоставимы с объемами перерабатываемого сырья. УФ-пермеат используется для выработки кристаллической лактозы либо сухого пермеата распылительной сушки. Технологические этапы производства и лактозы, и сухого пермеата обязательно включают мембранную обработку, в частности НФ или ОО [9].
Микрофильтрация (МФ)
В процессе МФ-обработки сырья отделяются частицы размером от 0,1 до 10 мкм, при градиенте давления, в среднем, от 10 до 200 кПа. В технологии переработки сыворотки одним из первых применений было использование МФ в производстве изолята сывороточного белка (ИСБ) [8]. МФ мембраны с размером пор менее 1,0 мкм задерживают остаточный жир и денатурированные белковые агломераты из КСБ, что позволяет достичь более высокого содержания белка в конечном продукте (табл. 4).
Таблица 4. Усредненный баланс МФ КСБ
Компоненты
Вода
Сырье
Ретентат
Пермеат
Натуральный белок, %
—
4,10
8.65
0,98
Небелковый азот, %
—
0,33
0,10
0,13
Лактоза, %
—
5,25
0,61
2,17
Кислота, %
—
0,14
0,11
0,05
Зольность, %
—
0,77
0,61
0,27
Жиры, %
—
0,47
2,19
0,01
Сухие вещества, %
—
11,06
12,30
3,61
Баланс, кг
15 665
10 000
2041
23 624
Коэффициент объемного концентрирования
4,9
Целевой фракцией в данном случае является МФ пермеат – обезжиренный концентрат сывороточного белка, являющийся основой для дальнейшего производства изолята сывороточного белка (ИСБ) с помощью ультрафильтрации (УФ). Ретентат – побочный поток (табл. 4) с высоким содержанием белка, жира и фосфолипидов, может быть использован при производстве, например, плавленых сыров или других продуктов. В качестве альтернативы иногда рассматривают использование МФ-ретентата КСБ 80 для получения концентрата фосфолипидов сывороточного белка, который интересен как пищевая добавка с широким фосфолипидным профилем.
Также МФ может использоваться для бактериальной санации вторичного сырья, т.е. удаления клеток микроорганизмов, в том числе споровых и соматических клеток. МФ за счет физического барьера позволяет удалить нежелательные клетки в отличие от тепловой обработки, при которой все клетки остаются в сырье и лишь частично инактивируются. МФ-обработка проводится в достаточно щадящем температурном диапазоне, сохраняются биологические, физико-химические, органолептические и технологические свойства сырья. В зависимости от первоначальной бактериальной обсемененности сырья, типа и размера пор мембран МФ позволяет снизить содержание микроорганизмов на 3–4 порядка.
Мембранные технологии открывают возможность использования практически всех компонентов молочного сырья
Таким образом, мембранные технологии молочной сыворотки дают переработчику возможность использовать практически все, входящие в ее состав ингредиенты в производстве пищевых продуктов. Тем не менее следует отметить, что организация мембранного участка обработки молочной сыворотки потребует определенных затрат, как капитальных, так и операционных, которые должны окупиться в приемлемые для предприятия сроки. Необходимы четкое понимание потребностей рынка, оценка возможностей предприятия, включая сырьевые ресурсы, поскольку объемы перерабатываемого сырья будут напрямую влиять на себестоимость продукции производимой с использованием мембранной обработки.
Опыт ООО «ДМП» в проектировании комплексных линий переработки сыворотки позволяет предложить различные варианты технологических решений. На рис. 2 представлены наиболее распространенные варианты (1–4), в том числе успешно реализованные на перерабатывающих предприятиях РФ.
Рисунок 2. Возможные направления переработки молочной сыворотки с использованием мембранных технологий
Все варианты в обязательном порядке включают участки предварительной обработки сыворотки: очистку от казеиновой пыли с использованием вибросит или другого подходящего оборудования, обезжиривание и пастеризацию. Далее очищенная сыворотка направляется на участок мембранной обработки. Последующие технологические шаги зависят от объема перерабатываемого сырья и применяемой технологии.
Вариант 1. Производство деминерализованной сухой сыворотки.
Вариант 2. Производство заменителей цельного молока или сывороточно-жирового концентрата.
Вариант 3. Производство сухих концентратов сывороточных белков и сухого пермеата / лактозы. Производство КСБ потребует организации участка ультра- и диафильтрации молочной сыворотки, а также дополнительного участка распылительной сушки КСБ. Данный подход позволит гибко реагировать на ситуацию на рынке.
Вариант 4. Ориентировочный объем натуральной подсырной сыворотки свыше 400 т/сут, позволяет производить ее глубокую переработку с целью получения более маржинального продукта – концентрата сывороточного белка (КСБ 80), либо изолята сывороточных белков (ИСБ 90). Образующийся пермеат концентрируется на НФ-установке, сгущается с использованием пленочной вакуум-выпарной установки и сушится на распылительной сушилке. Готовый продукт – сухой УФ-пермеат. Оба продукта хорошо востребованы на российском рынке, причем характеризуются опережающими темпами роста стоимости по сравнению с такими, как сухая сыворотка, сухое обезжиренное молоко и т.д. Производственная линия является более сложной, поэтому рентабельность выпуска вышеуказанных продуктов начинается от определенных объемов молочной сыворотки.
Указанные варианты (рис. 2) не ограничивают технологические решения переработки молочной сыворотки и являются примерами наиболее широко применяемых в молочной промышленности.
Подводя итог, можно сделать вывод о том, что использование комплексных линий переработки молочной сыворотки с участком мембранной фильтрации позволяет не только производить высокорентабельные ингредиенты, но и варьировать их состав и свойства, придавая конечным продуктам требуемые характеристики.
Список литературы
1. Липатов Н.Н. Мембранные методы разделения молока и молочных продуктов [Текст] / Н.Н. Липатов, В.А. Марьин, Е.А. Фетисов. – М. : Пищ. промышленность, 1976. – 168 с.
2. Argenta A.B. Membrane Separation Processes Applied to Whey: A Review / A.B. Argenta, P.S. De Agnes. – Food Reviews International. – 2019. – V. 36. – P. 499–528.
4. Тамим А.И. Мембранные технологии в производстве напитков и молочных продуктов / А.И. Тамим. – Пер. с англ. – СПб.: Профессия, 2016. – С. 245–248.
5. Integration of Membrane Processes for By-Product Valorization to Improve the EcoEfficiency of Small/Medium Size Cheese Dairy Plants // A. Macedo, J. Bilau, E. Cambóias, E. Duarte. – Foods 2021, 10, 1740. https://doi.org/10.3390/foods10081740.
6. Мембранные технологии для обеспечения эффективности и безопасности молочного производства / Д.Н. Володин, М.С. Золоторева, И.А. Евдокимов, В.Д. Харитонов // Молочная промышленность. – 2018. – № 5. – С. 36–38.
7. Effect of whey nanofiltration process combined with diafiltration on the rheological and physicochemical properties of ricotta cheese / Elane Schwinden Prudêncio, Carmen M.O. Müller, Carlise B. Fritzen-Freire [et al.] // Food Research International. – 2014. –V. 56. – P. 92–99.
8. 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.
9. Володин Д.Н. Эффективная технология переработки лактозосодержащего сырья: пути повышения качества пермеата распылительной сушки / Д. Н. Володин [и др.] //Переработка молока. – 2018. – № 8. – С.14–16.
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]
Показатель
КМК 80
КМБ 80
мИСБ
КСБ 80
Массовая доля белка, %
83,0
82,5
85,5
80,0
Массовая доля лактозы, %
1,0
2,5
6,7
6,4
Массовая доля жира, %
1,0
1,0
0,3
7,1
Массовая доля золы, %
7,8
6,6
2,5
2,5
Массовая доля влаги, %
5,0
5,0
5,0
4,0
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.
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.
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
Лактоза и ее производные / Б. М. Синельников, А. Г. Храмцов, И. А. Евдокимов и др. СПб. : Профессия, 2007.
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.
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
Несмотря на огромное разнообразие сыров, вырабатываемых в мире сегодня, цикл их производства включает ряд базовых технологических операций (рис. 1).
Рисунок 1. Принципиальная блок-схема производства сыров
C точки зрения коллоидной химии эти операции направлены на образование концентрированного белкового геля, в котором распределены жир, влага, минеральные вещества и т.д. Затем из сгустка/геля формируется сырное зерно, которое является своеобразным, по словам Скотта Р., иммобилизованным бактериальным ферментером, ограниченным проницаемой перегородкой [1]. Синтез «правильных» метаболитов внутри сырного зерна в процессе созревания сыра, определяет его специфические физико-химические, органолептические и микробиологические характеристики и регулируется многими показателями, в том числе и влажностью сгустка. В свою очередь содержание влаги в сгустке, напрямую зависит от условий постановки сырного зерна, процессов формования и прессования.
Процесс формования предназначен для объединения сырных зерен в монолит определенной формы, и частичного выделения межзерновой сыворотки. В зависимости от вида сыра и требованиям к структуре и рисунку сыра могут использоваться четыре способа формования зерна: из пласта насыпью, наливом, выкладыванием сгустка кусками. Способ формования будет определять окончательную текстуру сырного зерна. При формование наливом или из пласта, зерна будут плотно прилипать друг к другу, и создавать очень гладкую однородную структуру. Если зерна предварительно отделяются от сыворотки (формование насыпью) перед прессованием, они будут перемешаны с воздухом, и полученная текстура будет более открытой и зернистой, образующие характерный «пустотный» рисунок.
При формовании сырной массы из пласта сырное зерно подается вместе с сывороткой насосом или самотеком в формовочный аппарат, в котором происходит образование монолита сырной массы и подпрессовка. Продолжительность подпрессовки зависит от вида сыра, отпрессованный пласт должен быть достаточно плотным и иметь замкнутую поверхность для предотвращения образования пороков в процессе дальнейшей обработки и созревания сыра.
При формовании наливом смесь сырного зерна с сывороткой после удалении 50 — 60% сыворотки, самотеком или насосом подается в формующие устройства или непосредственно в формы. Для равномерной подачи сырное зерно должно тщательно перемешиваться в сыроизготовителе. Сыворотка выходит через дренажные отверстия формы, а сырная масса остается в них. В формующих устройствах или формах сыры самопрессуются или подпрессовываются при малом давлении [2].
При формовании сыров насыпью предварительно удаляется около 60% сыворотки, затем смесь самотеком или при помощи насоса поступает в отделитель сыворотки. После отделения сыворотки зерно насыпают в групповые или индивидуальные формы.
Формование выкладыванием необработанного сгустка в формы характерно для некоторых видов мягких сыров. Необработанный или разрезанный на крупные куски сычужный сгусток раскладывают в формы для сыров, затем проводят процесс самопресование под собственной массой.
В настоящее время молочная отрасль России характеризуется довольно большим ассортиментом сыров, который вырабатывается, как крупными производителями, так и небольшими сыродельными заводами, и сыроварнями. Учитывая эту тенденцию, компания ДМП, совместно с VPS [3], предлагает широкий спектр автоматизированного формовочного оборудования для производства как твердых, полутвердых, рассольных, мягких, так и индивидуальных видов сыров (рис. 2).
Рисунок 2. Оборудование для формования из пласта под слоем сыворотки
Для крупных производств, в рамках улучшения и автоматизации процесса формования, могут быть использованы универсальные колонны, которые можно использовать, как для формования голландских и швейцарских сыров под слоем сыворотки, из пласта, так и для формования таких сыров, как «Тильзитер» и «Российский» без сыворотки, насыпью.
Основные преимущества данного оборудования VPS:
— конструктивное универсальное исполнение для производства сыров как насыпью, так и наливом;
— автоматическое наполнение форм;
— равномерность по весу между головками в рамках партии;
— бесконтактная мойка с помощью CIP-станции.
Список литературы
Скотт, Р. Производство сыра: научные основы и технологии / Р. Скотт, Р.К. Робинсон, Р.А. Уилби. – СПб.: Профессия, 2005. – 464 с.
Лях В.Я., Шергина И.А., Садовая Т.Н. Справочник сыродела / В.Я. Лях, И.А. Шергина, Т.Н. Садовая. – СПб.: Профессия, 2011. – 680 с.
МакСуини П.Л.Г. Практические рекомендации сыроделам / П.Л.Г. МакСуини – Пер. с англ. под ред. канд. техн. наук И.А. Шергиной. – СПб.: Профессия, 2010. – 374 с.
Сегодня связка мембранного оборудования, включающая микро-, ультра-, нанофильтрацию и обратный осмос, является классическим решением при организации технологического цикла безотходного использования молочного сырья [1]. Комбинирование процессов мембранной обработки дает предприятию возможность концентрировать и частично деминерализовать сырье, отделять сывороточные и молочные белки, жир, возвращать воду в производственный цикл и т.д.
Мембраны микрофильтрации позволяют производить очистку от коллоидных соединений, взвесей и бактерий.
С точки зрения реализации мембранных технологий в промышленных масштабах микрофильтрация относительно нова для молочной отрасли. При микрофильтрации молочного сырья используются мембранные модули (см. рисунок), оснащенные полимерными или керамическими мембранами с размером пор в диапазоне от 0,05 до 10 мкм, при давлении 0,5–2 бар и температурном режиме от 5 до 50 °С [2].
Наиболее часто микрофильтрация применяется для «холодной стерилизации» молочного сырья, при которой клетки вегетативных и споровых форм микроорганизмов, соматические клетки удаляются практически на 99,9 % [2]. Также микрофильтрация может использоваться для холодного обеззараживания рассола, применяемого при посолке сыров. Микрофильтрация является реальной альтернативой термообработке рассола и использованию консервантов, которые практикуются на некоторых сыродельных заводах. Что касается фракционирования молочного сырья, то одним из перспективных направлений является получение концентрата мицеллярного казеина. Мицеллярный казеин – это медленно усвояемая белковая добавка, позволяющая сохранять уровень аминокислот, являющихся ключевыми в синтезе мышечного белка, в течение нескольких часов [4]. Именно поэтому он становится все более популярным ингредиентом для спортивного питания. Также мицеллярный казеин используется в качестве добавки при производстве сыров, кисломолочных продуктов, сухих супов и т.д. за счет технологических свойств: термостабильности, хорошей диспергируемости, придания продуктам «сливочного вкуса», повышения вязкости и т.д.
Технологически процесс производства концентрата мицеллярного казеина привлекателен тем, что в отсутствие термолабильных белков концентрат остается стабильным даже при температуре около 80 °С, что облегчает последующее концентрирование белка путем выпаривания. Сконцентрированная фракция мицеллярного казеина при низкой температуре образует термоустойчивый гель, который при нагревании легко переходит в жидкое состояние, что, в свою очередь, положительно сказывается на процессе сушки продукта [3].
Микрофильтрационный пермеат молока, который часто называют «идеальной/нативной сывороткой», содержит растворимые сывороточные белки сырья с размером молекул 2–10 нм. В отличие от сывороточных пермеатов он не содержит остаточного жира, микроорганизмов, ферментных препаратов, гликомакропептида и других продуктов ферментного и микробного гидролиза компонентов молочного сырья, образующихся при сычужном свертывании молока.
Если микрофильтрационный пермеат подвергается дальнейшей ультрафильтрации в сочетании с диафильтрацией, то образуется концентрат/изолят сывороточных белков молока с массовой долей белка в сухом веществе порядка 90 %. Полученный продукт затем сгущается до 36–37 % сухих веществ и высушивается.
В отличие от белковых концентратов, полученных из подсырной и творожной сыворотки, концентраты «идеальной сыворотки» имеют чистый вкус, большую растворимость, пенообразующую и эмульгирующую способность. При восстановлении дают прозрачные растворы, даже при высоком содержании сухих веществ [4]. За счет высокой доброкачественности такие концентраты имеют преимущества при использовании в рецептурах сухих смесей для детского питания при коррекции белкового состава.
С другой стороны, «идеальная сыворотка» является идеальной основой для создания комбинации молочных смесей с заданным белковым составом. Процесс может быть осуществлен путем сочетания микро-, ультра- и нанофильтрации молока (см. рисунок) [5].
Обезжиренное молоко подвергается микрофильтрации, после чего пермеат концентрируется, деминерализуется, досгущается и высушивается на распылительной сушилке [6]. Перед сушкой в продукт вводится концентрат мицеллярного казеина, полученный при микрофильтрации, для того чтобы соотношение казеина и сывороточных белков было таким же, как и в женском молоке, т.е. составляло 60:40 соответственно.
Таким образом, микрофильтрация, как и другие мембранные процессы, является одним из необходимых технических этапов при формировании линий производства молочных продуктов нового поколения, премиум-класса с новыми функциональными возможностями. Как показывает опыт ООО «ДМП» и компании «Вздухоторг», использование современного высокотехнологичного оборудования на заключительных технологических этапах – пленочных выпарных установок и распылительных сушильных аппаратов, обеспечивает высокую рентабельность и качество готовых продуктов.
Список литературы
1. Золоторева, М.С. Преимущества мембранных технологий в процессах обеспечения микробиологической безопасности молочного сырья и продуктов / М.С.Золоторева [и др.] // Молочная промышленность. № 5. 2018. С. 56–57.
3. Micellar Casein Concentrate. 2015 U.S. Dairy Export Council | WW017E. Режим доступа: USA dairy.org/products/milk-proteins.
4. Kimberlee, K.J. Burrington. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities. Режим доступа: https://www.usdairy.com/~/media/usd/public/tecnicalreportmilkfraction ationtechnologypdf.pdf.
5. Patent WO 2013/068653 A2, 16.05.2013. Method for producing a milk product // World International Property № 068653, A2 2013, 16.05.2013 / Tikanmäki R., Harju M.E., Tossavainen O.
6. Patent WO 00/30461, 02.06.2000. Method for preparing a protein composition and an infant formula containing same // World International Mп Property № 00/30461, 02.06.2000 / Jost R., ec.
#сушка молока #сушка сыворотки #сушка обрата #сушка белковых продуктов #сушка в виброкипящем слое #сушильные установки
Спрос на продукты с повышенным содержанием белка растет во всем мире, и, по мнению экспертов, сегодня это одна из основных тенденций на мировом рынке пищевых продуктов и напитков [1]. Согласно данным [2, 3], европейский рынок сывороточных белков в 2017 г. составил более 2200 млн долл. Причем мировые аналитические агентства прогнозируют дальнейший ежегодный прирост рынка приблизительно на 7,5 % в течение последующих 5 лет. Основной драйвер рынка сывороточных белков в Европе – это хорошо сформированная культура употребления продуктов спортивного питания и функциональных напитков. Наиболее развитыми региональными европейскими рынками, по мнению [2], являются рынки Испании и Италии, которым присущи черты «зрелого рынка» из-за масштабного производства подсырной сыворотки, особенно в Испании. Германия и Франция в 2017 г. столкнулись с резким спадом спроса на сывороточные белки из-за растущего рынка продуктов, альтернативных молочным, которые особенно популярны среди потребителей, страдающих непереносимостью лактозы.
Особенностью России, напротив, является популяризация функциональных молочных напитков и спортивного питания, что вполне прогнозируемо делает российский рынок сывороточных белков самым быстрорастущим в Европе – с 9%-ным средним уровнем годового роста в 2018– 2023 гг. [4]. Поэтому вполне объясним интерес предприятий отрасли к производству рентабельного продукта, пользующегося спросом на рынке, который одновременно обеспечит более полное использование белков молока и получение прибыли. Однако невозможно рассматривать технологию концентрата сывороточных белков (КСБ) изолированно, без учета основных принципов комплексной переработки молочного сырья [5]. Необходимо проектировать комплекс технологий, обладающих определенной гибкостью и многовариантностью технологических решений, который позволяет обосновать производство продуктов устойчивого сбыта.
Главным технологическим приемом при производстве КСБ является баромембранное разделение молочной сыворотки методом ультрафильтрации на два потока: концентрат (ретентат) и фильтрат (пермеат). Если основным компонентом ретентата является сывороточный белок, то основным компонентом перемеата – лактоза, содержание которой составляет более 90 % от массы сухого остатка пермеата. Поэтому валоризация этого продукта чаще всего связана с организацией производства молочного сахара различных категорий качества (пищевой, рафинированной, технической, фармакопейной) [6, 7].
Процесс выработки молочного сахара высокотехнологичный и требует от предприятия значительных затрат энергетических и кадровых ресурсов не только на основное производство, но и на переработку вторичных продуктов – мелассы, промывных вод и т.д. Поэтому организация производства молочного сахара/лактозы оправдана экономически только при наличии высокого рыночного потенциала и значительных объемов перерабатываемого сырья.
Пермеат распылительной сушки может быть интересной альтернативой молочному сахару, поскольку из процесса переработки исключается ряд технологических операций и побочных потоков (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема выработки пермеата распылительной сушки и лактозы пищевой категории качества
Основной задачей при выработке пермеата распылительной сушки является обеспечение производства продукта, приближенного по своим качественным характеристикам и технологическим свойствам к лактозе пищевой категории качества (табл. 1) [6, 7, 8] для того, чтобы пермеат мог успешно использоваться в технологии различных напитков, мороженого, молочных консервов, кондитерском и хлебобулочном производстве.
Поскольку пищевая лактоза используется в качестве подслащивающего компонента, ингредиента, улучшающего структуру и внешний вид продуктов, и нейтрального молочного наполнителя (заменителя), обращать внимание следует как на компонентный состав пермеата и пищевой лактозы, который, безусловно, будет отличаться (см. таблицу), так и на обеспечение высоких органолептических показателей и показателей, характеризующих качество сухих продуктов в целом: слеживаемость, слипание, комкование и т.д.
Особенностью пермеата как сырья является повышенное содержание минеральных солей и лактозы, а для пермеата, полученного из сквашенного молока и кислой сыворотки, харатерна еще и высокая кислотность [5]. Повышенное содержание солей обуславливает солоноватый привкус сухого продукта, что является нежелательным фактором при использовании пермеата для формирования требуемых сенсорных характеристик, например, в рецептурах кондитерских изделий. Включение в технологическую линию процесса деминерализации позволяет максимально удалить из пермеата нежелательные минеральные вещества и кислоты. Тем самым улучшаются его органолептические и технологические характеристики. Удаление несахаров повышает содержание основного компонента – лактозы, которая в деминерализованном пермеате может достигать 95 %, что увеличивает привлекательность пермеата как альтернативы пищевой лактозы [8]. Кроме того, удаление кальциевых солей снижает риск образования накипи на греющих поверхностях выпарного оборудования.
Лактоза оказывает большое влияние на физико-химические и структурные свойства продукта, поскольку присутствует в пермеате как непрерывная фаза. Если в сухом продукте лактоза находится в стекловидном, аморфном состоянии, то порошок может легко поглощать влагу из атмосферы при хранении, образуя высоковязкую жидкость. В результате происходит слипание, комкование и слеживание продукта, иногда даже с формированием монолита, что делает невозможным его дальнейшее использование.
Наиболее приемлемый и эффективный способ предотвращения негативных последствий повышенной гигроскопичности продукта – кристаллизация лактозы перед распылительной сушкой, целью которой является получение порошка, в котором кристаллическая форма лактозы будет преобладать над аморфной.
Микроструктура промышленного образца пермеата, выработанного без использования процесса кристаллизации, определенная, согласно [9], на рентгеновском микротомографе SkyScan 1176, представлена на рис. 2. Микроструктура включает смесь шарообразных частиц неправильной формы наряду с большими и мелкими кристаллами с острыми краями, которые образуются в результате спонтанной кристаллизации в период технологического процесса производства сухого пермеата. Размер частиц колеблется в диапазоне от 17 до 170 мкм, при этом встречаются агломераты размером до 2,0 мм.
Таблица 1 – Сравнительная характеристика пермеата распылительной сушки и лактозы пищевой категории качества
Наименование показателя
Характеристика сухого продукта
Внешний вид и консистенция
Мелкодисперсный порошок, допускается незначительное количество комочков, легко рассыпающихся при механическом воздействии
Кристаллический свободно пересыпающийся порошок
Вкус и запах
Чистый молочный, сладкий
Слегка сладковатый без запаха
Цвет
Белый, с желтоватым оттенком
От белого до светло-желтого, однородный по всей массе
Массовая доля сухих веществ, %
Не менее 97
Не менее 98
Массовая доля общего белка, % в пересчете на сухое вещество, не более
3,5
1,0
Индекс растворимости, мл сырого осадка, не более
0,5
Отсутствие осадка
Массовая доля лактозы, % в пересчете на сухое вещество
72,0 — 95,0
97,0 – 98,0
Массовая доля золы, % в пересчете на сухое вещество
1,0 -14,0
Не более 1,53
Микроструктура пермеата с использованием процесса направленной кристаллизации (рис. 2 [10]) более упорядочена. Капли высушиваются в виде правильных глобулярных частиц, состоящих из всех растворенных веществ, которые первоначально содержались в пермеате: лактозы, минеральных и органических солей, азотистых соединений. Гранулометрический состав кристаллов лактозы более однороден, размеры кристаллов не превышают 100 мкм [10]. Поскольку более 70 % лактозы находятся в форме α-моногидрата [10], готовый продукт содержит меньшее количество лактозы в безводной форме, что увеличивает его стабильность при хранении.
Рис. 2. Микроструктура промышленного образца пермеата распылительной сушки, выработанного без кристаллизации
Рис. 3. Микроструктура образца пермеата распылительной сушки с контролируемой кристаллизацией [10]
Кроме того, после предварительной кристаллизации снижается вязкость сгущенного пермеата, что способствует более эффективному протеканию процесса распылительной сушки.
Таким образом, для обеспечения производства продукта с гарантированно высоким качеством и заданными физико-химическими показателями технология пермеата распылительной сушки должна включать следующие этапы (рис. 1): приемку сырья, предварительное концентрирование и деминерализацию, сгущение, контролируемую кристаллизацию и сушку.
Для предварительной концентрации и деминерализации применяют электро- и баромембранные процессы, при необходимости ионный обмен, которые обеспечивают требуемые органолептические показатели и корректировку содержания основного компонента лактозы. Сгущение пермеата проводят с использованием пленочных вакуум-выпарных аппаратов, в которых сырье стекает по греющей поверхности в виде тонкой пленки. Качество продукта в результате повышается, уменьшается расход воды и греющего пара, исключается возможность пенообразования и потерь продукта [11]. Применение пленочных вакуум-выпарных аппаратов позволяет повысить сухие вещества пермеата до 62 %, что значительно снижает энергозатраты при последующей сушке. Наличие в вакуум-аппарате системы быстрого охлаждения (Flash Cooler) позволяет быстро и эффективно охладить сгущенный продукт и создать оптимальные условия для последующей кристаллизации лактозы.
Кристаллизация сгущенного пермеата проводится в специализированных аппаратах – кристаллизаторах, обеспечивающих постепенное охлаждение продукта до 10–15 °С со скоростью 1,0–2,5 °С/ч при постоянном перемешивании. Согласно нашему опыту, такой режим кристаллизации наиболее оптимален и позволяет в течение 8–12 ч перевести порядка 80 % лактозы в кристаллическую форму, при этом гранулометрический состав будет оптимальным.
Распылительная сушка молока проводится в сушильных аппаратах распылительного типа, где достигается высокая интенсивность испарения влаги за счет дисперсного распределения сырья в рабочей камере, через которую движется нагретый воздух. При этом удельная поверхностность испарения становится настолько большой, что процесс высушивания завершается чрезвычайно быстро, обеспечивая высушивание в мягких условиях, с последующим получением качественного порошкообразного продукта хорошей растворимости [11].
Таким образом, описанная технология позволяет получать пермеат заданного состава и качества, который является наилучшей альтернативой пищевой лактозе в производстве многих продуктов питания, где нет необходимости в использовании высокоочищенных категорий молочного сахара. При этом затраты на производство такого пермеата значительно ниже затрат на производство лактозы, а выход готового продукта примерно в 2,5 раза выше, чем высокоочищенной лактозы [12].
Список литературы
1. Global milk protein market analysis & trends – industry forecast to 2025/ACCUR AY RESEARCH // MILK PROTEIN MARKET [REPORT]. – URL: ttp://www.accurayresearch. com/chemicals-and-materials/milk-proteinmarket-analysis-size-share-trends. – Февраль, 2017. – 331 р.
2. Global Whey Protein Market to Hit $13.5 Billion by 2020. – URL: https://www. naturalproductsinsider.com/healthy-living/ global-whey-protein-market-hit-135- billion-2020
3. Mordor Intelligence. Europe Whey Protein Market – Growth, Trends, and Forecast (2018– 2023). – URL: https://www.mordorintelligence. com/industry-reports/europe-whey-proteinmarket
4. Mordor Intelligence. Russia Whey Protein Market – Growth, Trends & Forecasts (2017– 2022). – URL: https://www.mordorintelligence. com/industry-reports/russia-whey-proteinmarket
8. Discover our dairy powders and ingredients for infant formulas. – URL: https://www. euroserum.com/en/for-your-recipes/for-yourinfant-formulas/demineralized-wheypermeate/#discover
9. X-ray micro-tomography to quantify frozen ice cream structure / G. Alvarez, D. Cantre, P. Verboven, F.T. Ndoye, M. Warren, W.R. Hartel, B. Nicolai // 24ième Congrès International du Froid ICR. – 2015, August. – Yokohama, Japan.
10. Kalab Miloslav. Composition and Structure of Demineralized Spray-Dried Milk Permeate Powder, Food Structure / Miloslav Kalab, Marijana Caric and Spasenija Milanovic. – 1991. – Vol. 10. – №. 4. Article 6. Available at: http:// digitalcommons.usu.edu/foodmicrostructure/ vol10/iss4/6
11. Современные решения для производства сухих молочных продуктов / А.С. Гридин // Переработка молока. – 2017. – № 7. – С. 33–37.
12. О переработке молочной сыворотки и внедрении наилучших доступных технологий / М.С. Золоторёва, Д.Н. Володин, В.К. Топалов, И.А. Евдокимов, Б.В. Чаблин // Переработка молока. – 2016. – № 7. – С. 17–19.
#сушка молока #сушка сыворотки #сушка обрата #сушка белковых продуктов #сушка в виброкипящем слое #сушильные установки