Начало промышленного использования мембранных процессов в молочной отрасли, приходящееся на 60-е годы прошлого столетия, связывают с внедрением процесса мембранного выделения белков из молочной сыворотки. Фактически, этим самым был дан старт разработки новых промышленных решений в переработке как молочной сыворотки, так и молочного сырья в целом, которые продолжают активно развиваться и в настоящее время. На сегодняшний день в молочной промышленности для концентрирования и/или фракционирования молочного сырья используется четыре основных процесса мембранной фильтрации: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Эти процессы относят к баромембранным, поскольку в их основе лежит фильтрация сырья через полупроницаемые мембраны, а движущей силой является давление. Между собой баромембранные процессы отличаются размером пор использующихся мембран и давлением, которое требуется для их осуществления (рис.1).
Рисунок 1. Классификация баромембранных процессов концентрирования и фракционирования молочного сырья
Соответственно, размер пор мембран определяет состав концентрированной (ретентат) и разбавленной (пермеат) фракций, формирующихся во время фильтрации.
Можно выделить несколько направлений применения тех или иных типов мембран в технологиях переработки молока. Микрофильтрационные мембраны используются при выделении казеиновой фракции белка обезжиренного молока, удалении из сырья жировой фракции, в частности, при производстве изолята сывороточных белков, очистке молочного сырья и сырного рассола от микроорганизмов и т.д. [1]. Ульрафильтрационные – для выделения и концентрирования белковой фракции молочного сырья при производстве концентратов молочного и сывороточного белков, нормализации молока по содержанию белка, в производстве творога и творожных сыров или питьевого молока [2].
Нанофильтрационные мембраны применяются для концентрирования и частичной деминерализации молочной сыворотки и пермеатов, образующихся при ультрафильтрации сыворотки и обезжиренного молока. С помощью обратноосмотических мембран можно сконцентрировать все компоненты молочного сырья. Обратноосмотические мембраны также находят широкое применение в технологии доочистки нанофильтрационных пермеатов для удаления остаточной лактозы и минеральных веществ, так называемая технология «RO Polishing».
Несмотря на достаточно большое разнообразие материалов, применяемых для изготовления мембран, на практике в молочной промышленности используются главным образом полимерные мембраны. Керамические применяются реже, в основном, при микрофильтрации и ультрафильтрации [3].
Керамические мембраны изготавливаются из оксида алюминия, оксида циркония или оксида титана, карбида кремния, которые относятся к группе неорганических материалов. Они устойчивы к механическим, химическим и термическим воздействиям, имеют высокую пористость и гидрофильную поверхность.
Современные мембраны на основе синтетических полимеров (полиамида, полипропилена, полиэфирсульфона и т.д.), использующиеся в молочной отрасли, являются анизотропными мембранами второго поколения. Такие мембраны состоят из нескольких структурно неоднородных слоев, включая селективный слой для фракционирования сырья по молекулярной массе, и слои, обеспечивающие механическую прочность и отвод пермеата (рис.2 [4]).
Рисунок 2. Пример анизотропной многослойной обратноосмотической мембраны [4]
Хотя полимерные мембраны обладают довольно высокой механической, химической, термической и гидролитической стойкостью, в отличие от керамических, они могут быть чувствительны к воздействию сильных окислителей, что приводит к определенным ограничениям при выборе моющих средств.
Как и керамические, полимерные мембраны не подвергаются воздействию микроорганизмов, выдерживают довольно широкий диапазон рН и температур.
Основными характеристиками полимерных мембран являются селективность, проницаемость и скорость разделения. Селективность или задерживающая способность мембран выражается степенью перехода компонента в пермеат. Проницаемость или удельная производительность при данном давлении определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны. Оба параметра обусловлены конкурирующими взаимодействиями компонентов с поверхностью мембраны не только за счет размера, молекулярной массы, заряда, но также и формы молекул разделяемых веществ, поэтому подбор мембран является достаточно сложным процессом, требующим большого практического опыта.
Немаловажное значение на эффективность мембранного разделения оказывает накопление адсорбированных макромолекул и других частиц на поверхности мембраны или внутри нее (т.н. концентрационная поляризация), что более выражено в полимерных мембранах, которые являются относительно гидрофобными и облегчают адгезию, в частности, белков по сравнению с керамическими мембранами. Это приводит к усилению концентрационной поляризации (рис. 3) и в целом оказывает негативное влияние на процесс разделения, вызывая снижение потока пермеата, падение давления, сокращение срока службы мембран, нестабильный состав и качество продукта.
Рисунок 3. Концентрационная поляризация в процессе мембранной фильтрации
Чтобы контролировать загрязнение и уменьшить проблему закупорки пор, используется процесс тангенциальной фильтрации — проток фракционируемого продукта подается вдоль мембраны.
Спецификой мембран, используемых для обработки молочного сырья, так называемых «молочных» мембран (тип «Dairy») является специальное исполнение, ориентированное на устойчивость материала мембран к каждодневному воздействию «загрязнителей» молочного сырья – преимущественно жиров и белковых соединений, устойчивости к химическим реагентам во время ежедневной мойки мембран для восстановления их производительности, устойчивости к низким и высоким значениям pH и температуры («High pH and temperature (HpHT)», устойчивости к воздействию высокого давления и значительным перепадам давления, высокой селективности по целевым компонентам.
Такое исполнение достигается путем использования специально разработанных компонентов, из которых производится мембрана. При этом все компоненты и сама мембрана должны соответствовать международным и российским стандартам, разрешающим их применение в пищевой промышленности.
Конструктивно полимерные мембраны формируются в плоскорамные или рулонные модули. Плоскорамные модули, это сгруппированные в особом порядке листы мембран (рис. 4 а), главным образом используются для фильтрации, высоковязкого сырья, например, сквашенного молочного сгустка.
Рулонные мембранные модули (рис. 4 б) представляют собой несколько последовательно соединенных рулонных мембранных элементов. Каждый мембранный элемент состоит из нескольких пар мембран, разделенных дренажным слоем, по которому пермеат поступает в перфорированную дренажную трубку, являющуюся центральным пермеатным каналом. Рулонные модули обеспечивают высокую плотностью упаковки мембран в единице объема, относительно низкие потери давления, удобство монтажа и демонтажа элементов, гибкость при проектировании технологических линий мембранной обработки.
Рисунок 4. Плоскарамный и рулонный модули мембраной установки
Зачастую для производства тех или иных продуктов/ингредиентов из молочного сырья необходим комплекс мембранных процессов. В таких технологиях мембранная фильтрация является ключевым узлом, можно сказать «сердцем» процесса, определяющим качество продукта. При этом качество мембран существенно влияет на качество процесса фильтрации, характеристики готового продукта. Мембраны, изготовленные из высококачественных, инновационных и в то же время проверенных материалов, могут прослужить значительно дольше и при этом существенно снизить эксплуатационные расходы на мембранное оборудование в целом.
ООО ДМП уже много лет занимается поставкой и обслуживанием мембранного оборудования для молочной промышленности. Основываясь на собственном опыте, мы можем подобрать мембраны практически для любой фильтрационной установки и предоставить лучшее решение. На сегодняшний день мы имеем постоянно пополняемый склад мембран на территории РФ, в наличии порядка 2000 шт. различных рулонных полимерных мембран от ведущих мировых производителей: Dupont и KOCH, а также керамические мембраны TAMI и полимерные плоскорамные и рулонные мембраны Alfa Laval. Если необходимый тип мембран отсутствует на нашем складе, то существует возможность поставки мембран под заказ, с максимально оптимизированным сроком поставки. Наши специалисты также могут провести аудит имеющегося на предприятии мембранного оборудования и оказать техническую поддержку при подборе и замене мембран для обеспечения эффективной работы установок мембранного разделения.
Список литературы
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
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.
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
Idarraga-Mora, J.A.; Childress, A.S.; Friedel, P.S.; Ladner, D.A.; Rao, A.M.; Husson, S.M. Role of Nanocomposite Support Stiffness on TFC Membrane Water Permeance. Membranes 2018, 8, 111. https://doi.org/10.3390/membranes8040111
С 24 по 26 января проходила 22-я Международная выставка оборудования для производства молока и молочной продукции DairyTech 2024.
Данная выставка является одним из важнейших событий, в рамках которого мы имеем возможность встретиться с нашими постоянными и новыми партнерами.
Наша команда продуктивно поработала и отметила рост заинтересованности компаний к технологическим решениям ДМП для производства ингредиентов из молока и молочной сыворотки.
Мы представили на стенде большое количество комплектующих для мембранных установок и оборудования для производства сухих молочных продуктов. Привезли образцы используемых мембранных элементов, которые вызвали интерес у посетителей нашего стенда.
Выражаем искреннюю благодарность всем, кто проявил интерес к нашей деятельности. Мы всегда готовы к сотрудничеству при реализации решений для новых и перспективных возможностей!
В рамках вебинара директор ДМП Дмитрий Володин рассказал про актуальные направления переработки молока и молочной сыворотки, про современные технологии производства ингредиентов, а также области применения и свойства сухих молочных продуктов.
Смотрите вебинар, чтобы узнать, что нужно сделать, чтобы получать на своем производстве высокомаржинальные ингредиенты.
Уважаемые партнёры! Напоминаем, что мы принимаем участие в 22-ой Международной выставке оборудования для производства молока и молочной продукции «DairyTech 2024» и приглашаем на наш стенд!
Посетив наш стенд, вы узнаете об актуальных технологиях ДМП, встретитесь с нашими специалистами и получите полезные консультации, а также возможность лично обсудить перспективы взаимовыгодного сотрудничества. Мы будем рады приветствовать вас и ответить на все ваши вопросы.
Будем рады встрече! 📌 Ждем вас с 22 по 24 января в МВЦ «Крокус Экспо», павильон 1, зал 4, стенд № 2045.
Промокод для бесплатного посещения выставки — dt24eDPPD. Бесплатный электронный билет можно получить на сайте организатора выставки ПОЛУЧИТЬ БИЛЕТ
Приглашаем принять участие в вебинаре «Эффективные технологии переработки молока и молочной сыворотки на основе мембранного фракционирования», который состоится 15 декабря в 13:00 ч.
Директор ДМП Дмитрий Володин расскажет про актуальные направления переработки молока и молочной сыворотки, про современные технологии производства ингредиентов, а также области применения и свойства сухих молочных продуктов.
В рамках вебинара вы узнаете, что нужно сделать, чтобы получать на своем производстве высокомаржинальные ингредиенты.
Не так давно завершилось крупное отраслевое мероприятие, нами была проделана большая и интересная работа.
Участие в таких мероприятиях позволяет нам продемонстрировать свою конкурентоспособность на рынке, укрепить связи с существующими партнерами и привлечь новых.
Мы постоянно стремимся к совершенствованию уже созданной системы работы, чтобы предлагать еще более инновационные и эффективные решения.
Наша команда изучает последние тенденции в отрасли и активно внедряет передовые технологии.
Сейчас мы активно ведем подготовку к очередному большому событию — выставке «DairyTech 2024», которая признана традиционной бизнес-площадкой для продуктивных встреч профессионалов молочной индустрии.
Наша компания будет представлена на выставке с 24 по 26 января 2024 года в МВЦ «Крокус Экспо», павильон 1, зал 4, стенд № A2045.
Делимся еще одной приятной новостью: с нашим промокодом dt24eDPPD можно получить бесплатный электронный билет на сайте организатора выставки ПОЛУЧИТЬ БИЛЕТ
На протяжении пяти дней компания ДМП была представлена на выставке «Агропродмаш-2023» с нашими передовыми технологическими решениями для производства сухих ингредиентов молока и молочной сыворотки.
Мы уделили особое внимание не только комплексным технологическим линиям и оборудованию, но и неотъемлемым комплектующим, необходимым для их работы.
Важное направление — мембранные процессы. Специалисты ДМП представили образцы полимерных спиральных мембран, а также новинку — плосколистовые мембраны для плоскорамного мембранного модуля.
Мы выражаем благодарность нашим зарубежным партнерам, которые несмотря на сложности, сумели присутствовать на нашем стенде. Также мы хотели бы выразить признательность организаторам выставки за высокий уровень подготовки и организации мероприятия. Большое спасибо посетителям нашего стенда за проявленный интерес и продуктивные беседы, которые помогают нам лучше понять потребности рынка и установить контакты для будущего сотрудничества!
Технология выработки большинства молочных продуктов предусматривает операцию нормализации молочного сырья по массовой доле жира, в результате которой на предприятии образуются излишки либо обезжиренного молока, либо молочного жира в виде сливок с заданной жирностью. С точки зрения реализации комплексных линий переработки молочного сырья основной задачей является поиск экономически целесообразных решений, позволяющих максимально использовать все компоненты молока.
Обезжиренное молоко может быть сырьем для достаточно широкого спектра продуктов: от питьевого молока до белковых концентратов. Сливки, как правило, направляются на выработку различных видов сливочного масла. В качестве альтернативного направления можно рассматривать производство обезвоженного молочного жира (ОМЖ). Строго говоря, это наименование является дословным переводом импортируемого на российский рынок продукта «Anhydrous Milk Fat». ТР ТС 033/2013 определяет подобный продукт как «молочный жир»: «…молочный продукт, в котором массовая доля молочного жира составляет не менее 99,8 %, который имеет нейтральные вкус и запах и производится из молока и (или) молочных продуктов путем удаления молочной плазмы» [1]. Требования, предъявляемые к ОМЖ, согласно ГОСТ 32262— 2013 [2] и характеристика зарубежных аналогов, приведены в табл. 1.
Таблица 1. Состав и свойства сливочного и топленого масла и молочного жира
Параметры
Масло сливочное*
Масло топленое**
Молочный жир**
Обезвоженный молочный жир***
Массовая доля, %:
— молочного жира, не менее
82,5
99,0
99,8
99,85
— влаги, не более
16,0
1,0
0,2
0,15
Свободные жирные кислоты, % от олеиновой кислоты, не более
При комнатной температуре ОМЖ представляет собой гомогенную плотную массу светло-желтого цвета, при температурах выше точки плавления молочного жира (34 – 36оС) — это прозрачная жидкость желтого цвета, не содержащая осадка и примесей. Характерной особенностью ОМЖ является чистый, мягкий сливочный вкус, в основном определяющийся наличием короткоцепочечных свободных жирных кислот, альдегидов, кетонов и лактонов [4]. Уникальный вкус ОМЖ позволяет достигать более качественных сенсорных характеристик продуктов, в которых он используется, по сравнению с более дешевыми аналогами.
В качестве сырья для производства молочного жира используются высококачественные сливки или сливочное масло (рис.1).
В первом случае (рис. 1) сливки с жирностью порядка 40,0%, полученные при сепарировании цельного молока, направляются на тепловую обработку, после которой проводится дополнительное концентрирование жировой фазы с использованием центробежного сепаратора. Концентрированные сливки с массовой долей молочного жира не менее 75,0 – 78,0 % по своей природе являются эмульсией тонкодисперсного жира в плазме молока, поэтому для дальнейшего концентрирования жировой фракции проводят инверсию фаз в гомогенизаторе путем механического и теплового воздействия на жировые шарики. В процессе интенсивной обработки при повышенном давлении и температуре происходит разрушение многокомпонентных оболочек-мембран жировых шариков, освобождение свободного молочного жира и формирование системы, в которой водная фаза будет распределяться в непрерывной жировой фазе. Инверсия фаз позволяет провести финальное концентрирование молочного жира также путем сепарирования. При этом концентрированная, «легкая», фракция будет содержать более 99,5 % молочного жира. В «тяжелую» фракцию переходят практически все остаточные вещества белковой природы, что предотвращает возможность повторного образования устойчивой жировой эмульсии жира. Полученный концентрированный жир может быть направлен на операцию удаления остаточной влаги. Для того, чтобы гарантировано получить высококачественный продукт проводят процедуру дополнительной промывки масла. В концентрированную фракцию добавляют 20–30 % воды с температурой жидкого жира. После кратковременной выдержки воду вновь отделяют, удаляя оставшееся водорастворимые компоненты. Помимо промывки процедуры дополнительной очистки молочного жира могут включать нейтрализацию излишнего количества свободных жирных кислот, которые могут вызывать появление посторонних привкусов и запахов.
После промывки и сепарирования очищенная фракция подогревается до 90 – 95оС и подается в вакуумный концентратор, работающий при пониженном давлении. За счет мгновенного вскипания под вакуумом происходит частичное испарение остаточной влаги, и концентрация молочного жира в продукте достигает значения 99,8 – 99,9 %.
Для минимизации потерь жира, пахта и тяжелые фракции, полученные в процессе выработки ОМЖ также сепарируются (рис. 1). При этом «легкая» фракция, с высоким содержанием жира возвращается в технологический процесс ОМЖ на этапе получения высокожирных сливок, а «тяжелая» фракция, низкожирная, идет на дальнейшую переработку.
При использовании в качестве сырья для производства ОМЖ сливочного масла (рис. 1) его предварительно нагревают до температуры около 60оС для проведения процесса плавления, затем горячий продукт перекачивают в емкость, где расплавленный продукт выдерживают некоторое время для обеспечения полного расплавления и агрегирования белков. Поскольку в масле уже проведен процесс инверсии фаз, то сразу проводится концентрирование жировой фракции до содержания молочного жира 99,5 %. Дальнейшие этапы технологического процесса аналогичны описанным выше.
Продукт с максимальной концентрацией молочного жира 99,8 – 99,9 % охлаждается в кристаллизаторе-охладителе и направляется на фасовку в потребительскую или транспортную тару [2]. В отличие от сливочного масла высокое содержание молочного жира (табл. 1) допускает более длительные сроки хранения, например, согласно [2] при (3±2) оС ОМЖ может храниться до года в транспортной таре и до 90 дней в герметичной потребительской таре. Более того, ряд зарубежных производителей заявляют о возможности хранения и транспортировки ОМЖ в герметичной светонепроницаемой упаковке при температуре окружающей среды.
С точки зрения маркетинга можно отметить положительную динамику мирового рынка обезвоженного молочного жира. Так по данным маркетинговых агентств объем рынка ОМЖ оценивался в 2,41 миллиарда $ США в 2022 году и, по прогнозам, достигнет 4,69 миллиарда $ США к 2030 году , увеличившись в среднем на 7,8% в период с 2023 по 2030 год [5].
Можно выделить три основных области использования ОМЖ (рис.2): молочная, хлебопекарная и кондитерская промышленности. В молочной промышленности ОМЖ используется для получения восстановленных молочных продуктов, спредов, мороженого и т.д. Считается, что в рецептурах мороженого ОМЖ придает продукту натуральный, мягкий сливочный вкус, не оставляет неприятного послевкусия, как при использовании более дешевых жиров. В кондитерских изделиях, например, шоколаде ОМЖ помогает достичь требуемой структуры продукта и предотвращает возникновение порока «поседения» шоколада. Кроме того, ОМЖ довольно активно используется в секторе быстрого питания, который значительно расширился за последние годы [XX].
Рисунок 2. Основные направления использования ОМЖ
Таким образом, благодаря своим свойствам и направлениям использования, а также тенденциям мирового и российского рынка, производство обезвоженного молочного жира, наряду со сливочным маслом, может стать интересным альтернативным или дополнительным решением переработки жировой фракции молочного сырья.
В рамках своей деятельности ООО ДМП реализует комплексные линии переработки молока, в том числе и с организацией производства сухих белковых ингредиентов и переработки сливок на сливочное масло и обезвоженный молочный жир, гарантируя получение продуктов, соответствующих российским и международным стандартам.
Список литературы
Технический регламент Таможенного союза 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции» (с изменениями на 15 июля 2022 года). Принят Решением Совета Евразийской экономической комиссии от 9 октября 2013 г. № 67
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].
Рисунок 1. Удержание компонентов молочного сырья при мембранной обработке
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].
Рисунок 2. Интеграция мембранных процессов в традиционную технологию творога
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.
Рисунок 3. Принцип микропартикуляции сывороточных белков по [6]
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
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
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
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.
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
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
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/
В очередной раз мы принимаем участие в выставке «Агропродмаш-2023» и приглашаем вас посетить наш стенд!
Выставка расширяет свое присутствие в сфере молочной промышленности, тем самым становится все более актуальной для переработчиков молочного сырья.
Посетив наш стенд, вы узнаете об актуальных технологиях ДМП, встретитесь с нашими специалистами и получите полезные консультации, а также возможность лично обсудить перспективы взаимовыгодного сотрудничества.
Мы будем рады приветствовать вас и ответить на все ваши вопросы.
Выставка пройдет с 9 по 13 октября 2023 года.
Рекомендуем получить электронный билет на выставку «Агропродмаш-2023» по ссылке
1 августа 2023 года при участии ДМП Северо-Кавказский федеральный университет получил патент на изобретение уникального способа производства колбасных изделий с использованием концентрата мицеллярного казеина.
Технический результат изобретения заключается в повышении пищевой и биологической ценности, а также улучшении органолептических показателей колбасных изделий за счет введения в их состав концентрата мицеллярного казеина.
Концентрат мицеллярного казеина – высокобелковая добавка, получаемая фракционированием обезжиренного молока, путем удаления низкомолекулярных компонентов молока (лактозы, растворимых солей, жира) и части сывороточных белков – до 95%. Это придает концентрату мицеллярного казеина уникальные функционально-технологические свойства.
Ранее концентрат мицеллярного казеина никогда не применялся в производстве мясных продуктов.
Изобретение найдет применение при производстве колбасных изделий, предназначенных для широких масс населения, в том числе людей, имеющих рекомендации по диетическому питанию, и детей разного возраста.
ДМП уже не один год занимается проектированием и поставкой технологических линий высокобелковых добавок на основе мембранного фракционирования молочного сырья, постоянно расширяя и совершенствуя спектр предлагаемых технических решений.
Одним из итогов активной работы компании в области производства сухих ингредиентов является внедрение в 2023 году первой в Российской Федерации линии концентрата мицеллярного казеина.
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.
Сотрудники ДМП в числе ведущих специалистов молочной отрасли участвуют в XIV Молочной олимпиаде, которая стартовала 21 мая в Ташкенте.
Данное мероприятие — одно из крупнейших событий мирового молочного рынка, которое ежегодно собирает сотни представителей мировой молочной индустрии.
Основные цели участия ДМП в мероприятии — обмен профессиональным опытом с коллегами из 20 стран мира, совместное определение перспектив мирового молочного рынка, оценка существующих угроз отрасли и прогнозирование потенциальных тенденций и возможностей ее развития.
Силами ДМП проводятся работы по расширению технологической линии одного из крупнейших российских предприятий по производству высококачественной продукции из натурального молока.
Расширение предприятия происходит за счет выбора нового вектора переработки молока и, соответственно, установки нового оборудования.
Поставка оборудования, на первый взгляд, кажется рядовой задачей, однако один неверный шаг в этом процессе может привести к серьезным сложностям в ходе реализации производственного цикла проекта.
Несмотря на современные сложности логистики, мы предпринимаем все возможные усилия для того, чтобы обеспечить нашим партнерам бесперебойные и надежные поставки оборудования и комплектующих в оптимальные сроки.
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
Концентрат мицеллярного казеина (КМК) – это новый высокобелковый ингредиент, который производится путем микрофильтрации обезжиренного молока, что приводит к изменению со[1]отношения казеин/сывороточный белок в готовом продукте. Представлен краткий обзор принципов фракционирования и производства КМК и других ингредиентов, полученных при переработке обезжиренного молока. Рассмотрены преимущества и возможности применения КМК в пищевых продуктах, в том числе приведены данные собственных исследований.
Характерной особенностью современного рынка пищевых добавок является все возрастающий интерес к ингредиентам, полученным на основе белков молока. Так по оценкам IMARC Group в 2021 г. мировой рынок концентратов молочных белков в целом составил 13,15 млрд $ США, при прогнозируемом увеличении объема продаж в течение 2022-2027 гг. до 18,16 млрд $ США со среднегодовым темпом роста 5,30% [1]. С одной стороны, причиной повышенного интереса является все более активное использование белковых концентратов в рецептурах широкого спектра продуктов, включая лечебное, спортивное и детское питание. С другой стороны, совершенствование методов обработки, позволяет расширять и диверсифицировать линейку ингредиентов на основе молочных белков, регулируя соотношение компонентов, придающих им те или иные функционально-технологические свойства [2].
В качестве сырья для производства молочно-белковых концентратов используется обезжиренное молоко или молочная сыворотка. Последняя является основой для получения концентратов, изолятов, гидролизатов, а также индивидуальных сывороточных белков (табл.1).
Таблица 1. Примеры компонентного состава молочно-белковых концентратов [2]
Показатель
КМБ*
ИМБ*
КМК**
Сычужный/ кислотный казеин
Казеинат натрия
Массовая доля белка в сухом веществе, %, не менее
81,0
89,5
86,0
88,0/95,0
90,0
Массовая доля, %, не более: влаги
5,0
5,0
5,0
12,0/10,0
5,5
жира
1,5
1,6
3,0
1,0/1,5
1,5
лактозы
5,0
0,7
3,0
0,2/0,2
0,2
золы
7,5
6,3
7,5
7,5/2,2
4,0
*Соотношение казеин/сывороточные белки 80/20. **Соотношение казеин/сывороточные белки 92/8 или 95/5.
Если говорить о белковых добавках, вырабатываемых из молока, то несмотря на их широкий спектр (табл. 1), наиболее востребованными на рынке являются кислотный и сычужный казеин, казеинаты натрия и кальция, концентраты/изолят молочного белка, концентраты мицеллярного казеина, которые появились на российском рынке относительно недавно.
Казеины, кислотный и сычужный, – это сухие концентраты (табл.2), пищевой либо технической категории качества, выпускающиеся в виде гранулированных или мелкодисперсных порошков [3].
Принцип фракционирование в данном случае основан на нарушении коллоидной стабильности мицелл казеина, обусловленной наличием на поверхности мицелл «волоскового» слоя гидрофильных макропептидных остатков κ-казеина, препятствующих их сферическому сближению [4].
При производстве кислотного казеина рН сырья снижается до изоэлектрической точки, ионы водорода проникают в гидратную оболочку, связываются с диссоциированными зарядообразующими группами казеина. Отрицательный заряд казеиновых мицелл снижается, нарушается стабильность «волоскового» слоя, коллоидный фосфат кальция переходит в водорастворимую форму дигидроортофосфатов и постепенно удаляется из мицеллы. Это приводит к образованию коагулята казеиновых мицелл, который далее используется для получения кислотного казеина, обедненного сывороточными белками [5].
При производстве сычужного казеина белок осаждают протеолитическими ферментами способными отщеплять гликомакропептид от κ-казеина. Гидрофильный гликомакропептид выделяется в сыворотку, а дестабилизированные мицеллы казеина образуют сгусток, который подвергается дальнейшей обработке. Практически полная потеря коллоидного и органического кальция является главным отличием казеиновых мицелл в кислотном сгустке от параказеиновых мицелл в сычужном. Соответственно, в составе сычужного казеина содержание белка в сухом веществе ниже, чем в кислотном, а уровень золы – выше (табл. 2). При этом оба вида продукта содержат, главным образом, нерастворимые формы казеина.
Растворимые формы (казеинаты) образуются при осаждении кислотного казеина каким-либо нейтрализующим агентом, обычно щелочью. Помимо казеинатов натрия и кальция, образующихся при обработке кислотного казеина соответствующими щелочами, существуют специальные казеинаты, в частности магния, железа и меди. Специальные казеинаты получают методами ионного обмена и используют для обогащения микроэлементами продуктов детского и лечебного питания [5].
Копреципитаты содержат все белковые фракции молока и образуются при совместном осаждении казеина и сывороточных белков, при высокой температуре методами термокальциевой или термокислотной коагуляции [6]. Коприципитаты иногда включают в рецептуры ряда пищевых продуктов, включая детское питание.
Сухие концентраты и изоляты молочного белка (КМБ и ИМБ) и мицеллярного казеина (КМК) относятся к белковым добавкам, получаемым мембранным фракционированием обезжиренного молока. Мембранное фракционирование основано на использовании полупроницаемых мембран, позволяющих части компонентов сырья свободно проходить через мембрану и формировать разбавленную фракцию – пермеат. Вещества, задерживаемые мембраной, образуют концентрированную фракцию – ретентат. Компонентный состав фракций зависит, от типа мембран, их характеристик [7], в первую очередь «отсечки», определяющей минимальную молекулярную массу веществ удерживаемых мембраной, и условий проведения фракционирования. Отношение объема сырья к объему ретентата (коэффициент объемного концентрирования) косвенно характеризует степень концентрирования целевого компонента.
При получении КМБ и ИМБ для фракционирования используются ультрафильтрационные (УФ) мембраны, размер пор которых должен обеспечить удержание практически всех белков молока, при максимальном удалении небелковых компонентов. Белковая фракция молока представлена белками с широким разбросом молекулярных масс, при этом в нативном состоянии часть белков образует агломераты, молекулярная масса которых определяется включенными в структуру индивидуальными субъединицами. Например, мицелла казеина может включать до 104 белковых молекул, а ее молекулярная масса достигать 108 Да [8]. Поскольку агломераты сывороточных белков значительно меньше, в промышленных масштабах обычно используются мембраны с отсечкой по молекулярной массе 10 — 30 кДа [8, 9].
Варьирование условий фракционирования позволяет получать линейку концентратов с различной массовой долей белка в сухом веществе [7]. При этом максимальный уровень белка составляет около 90% из-за перехода остаточного жира и большей части минеральных веществ сырья в концентрированную фракцию. Удержание молочного жира связано с тем, что размеры жировых шариков ((2 000 – 10 000) нм), значительно превышает размеры пор УФ мембран, соответственно, весь остаточный жир накапливается в ретентате. Из минеральных веществ через мембрану диффундируют только растворенные соли, коллоидные формы остаются в концентрированной фракции. Кроме того, несмотря на значительные изменения, которые претерпевает мицелла, особенно при высокой степени концентрирования, казеины в ретентате находится в нативной мицеллярной форме [10], стабилизирующейся посредством казеинат-кальций-фосфатного комплекса. Соответственно, ионы, связанные с белками, также концентрируются в ретентатах и не позволяют значительно понизить уровень золы готового продукта (табл. 2). Поэтому повышение доли белка в сухом веществе КМБ, достигается главным образом удалением лактозы. Продукты, из которых удалено более 80% лактозы и около 20% минеральных веществ называют изолятами молочного белка (табл.2). Можно отметить, что, как и казеин, сывороточный белок в КМБ и ИМБ обычно находится в нативной форме, но при необходимости может быть легко денатурирован перед обработкой [8].
Принцип фракционирования мицеллярного казеина основан на использовании процесса микрофильтрации (МФ) сырья. В отличие от УФ фракционирование проводится на МФ мембранах с размером пор 0,1 мкм, что позволяет удерживать мицеллы казеина, диаметр которых составляет в среднем 100 – 200 нм, и остаточный молочный жир. При этом сывороточные белки с диаметром (3 — 4) нм частично переходят в разбавленную фракцию, которую принято называть истинной или нативной сывороткой. Содержание казеина в сухих КМК составляет порядка 90% от общего белка (табл.2).
Таблица 2. Функционально-технологические свойства концентрата мицеллярного казеина (n=3, V<16)
Показатель
Концентрат мицеллярного казеина
Активная кислотность
7,07
Индекс растворимости, см3 сырого осадка
1,50
Водопоглощающая способность, %
124,50
Жиропоглощающая способность, %
119,74
Набухаемость, %
150,50
Эмульгирующая способность, г жира на 1 г белка
142,50
Гелеобразование*, Па
при выработке
155,4
через 8 ч
178,5
через 2 сут
254,8
через 3 сут
307,9
*При соотношении белковый препарат/вода=1/2 при температуре хранения 6–80 ºС
На эффективность фракционирования казеина оказывает значительное влияние степень денатурации сывороточных белков. При высоких температурах пастеризации обезжиренного молока β-лактоглобулин связывается термоиндуцированными взаимодействиями с казеином и не может пройти через МФ мембрану, что понижает степень перехода сывороточных белков в пермеат [11]. Помимо части сывороточных белков в нативную сыворотку переходят также лактоза, растворимые соли и другие низкомолекулярные соединения. Как и при УФ, при МФ не происходит значительного удаления минеральных веществ, поскольку концентрированные фракции также содержат нативные мицеллы казеина, стабилизированные казеинат-кальций-фосфатным комплексом. Поэтому повышение общего белка, как и при производстве КМБ, происходит за счет удаления углеводного компонента.
Рассматривая пример обобщенных схем производства сухих высокобелковых концентратов из молока (рис. 1, 2), можно выделить ряд общих технологических этапов: подготовка сырья, концентрирование целевой белковой фракции или фракций посредством удаления небелковых компонентов, сушка и упаковка сухого продукта.
Рисунок 1. Схема производства сычужного и кислотного казеина
Рисунок 2. Схема производства концентратов молочного белка и мицеллярного казеина
Операции подготовки сырья практически идентичны. Прежде всего проводится обязательное удаление жира путем сепарирования до уровня, не превышающего 0,05%. Низкое содержание жира в сырье повышает качество готового продукта, так как остаточный жир будет накапливаться в концентрированной фракции, понижая массовую долю белка в сухом веществе и, соответственно, ценность коммерческого продукта. Кроме того, жировая фракция отрицательно влияет на свойства концентратов при хранении.
Тепловую обработку сырья рекомендуется проводить при (72 – 74) оС для обеспечения микробиологической чистоты продукта при минимальном воздействии на белковые фракции сырья. Повышенные температуры пастеризации являются причиной денатурации сывороточных, что негативно влияет, например, на фракционирование мицеллярного казеина, а также может вызвать потемнение сухих концентратов за счет образования окрашенных соединений в результате реакции Майяра. Следует учесть, что при мембранном фракционировании клетки микроорганизмов накапливаются в ретентате. Поэтому для обеспечения микробиологических показателей КМБ и КМК рекомендуется использовать высококачественное сырье и предусматривать его дополнительную обработку путем бактофугирования или микрофильтрации. В случае применения микрофильтрации в сырье дополнительно снижается содержания жира, что также повышает качество готового белкового продукта.
Концентрирование целевой белковой фракции при производстве кислотных казеинов достигается подкислением охлажденного пастеризованного обезжиренного молока до рН (4,3 – 4,6) путем дозирования минеральных или органических кислот, либо сквашиванием обезжиренного молока с использованием молочнокислых микроорганизмов. Полученный сгусток перемешивается, подогревается, затем образовавшееся агломераты белка отделяются от казеиновой сыворотки декантированием и/ или центрифугированием. В случае получения сычужного казеина в обезжиренное молоко вносятся хлористый кальций, сычужный фермент или пепсин. Сформировавшийся сгусток разрезают, перемешивают, затем подогревают, для более эффективного обезвоживания получившегося зерна, и направляют на отделение сыворотки.
Максимальное удаление небелковых соединений, в частности, лактозы и минеральных веществ, а также сывороточных белков проводится путем многократной промывки агломератов казеина подготовленной водой, которая затем удаляется на декантерах либо центрифугах. Для получения стабильного, пригодного для хранения продукта, казеиновые агломераты сушат до влажности не более 12%, при необходимости размалывают и упаковывают в мешки.
При производстве КМБ и КМК концентрирование целевой белковой фракции или фракций обезжиренного молока (рис. 3), проводится на УФ и МФ установках, оснащенных полимерными либо керамическими мембранами. Каждый тип мембран имеет свои преимущества [11, 12], тем не менее наиболее часто для фракционирования молока в промышленных масштабах используются полимерные мембраны рулонного типа. Чаще все процесс проводится при низких температурах, которые с одной стороны тормозят рост остаточной микрофлоры, а с другой снижают буферную емкость концентратов, что способствует удалению растворимого кальция и фосфора, повышению содержание белка в готовом продукте.
Концентрирование белков при выработке КМБ проводится на ультрафильтрационных установках, с использованием мембран с отсечкой 10 – 30 кДа, при давлении порядка 3 бар. Однако только шаг ультрафильтрации не позволяет получить КМБ с высоким содержанием белка и ИМБ. Как правило, на первом этапе обработки обезжиренного молока коэффициент объемного концентрирования сырья составляет 3 – 4 единицы. После чего вязкость получаемого ретентата повышается, что значительно тормозит дальнейший процесс фильтрации. Для дополнительного удаления небелковых компонентов из концентрированной фракции используется процесс диафильтрации, предусматривающей разбавление ретентата, полученного на первом этапе, «подготовленной» водой и повторного фракционирования. Во время диафильтрации вода добавляется последовательно на разных этапах процесса фильтрации (рис. 2), разбавляя концентрированный ретентат, снижая вязкость, и обеспечивая переход водорастворимых компонентов в пермеат. Операция позволяет сконцентрировать белковую составляющую сырья в 6 – 7 раз от первоначального содержания.
Процесс микрофильтрации, использующийся для концентрирования целевой белковой фракцией при производстве мицеллярного казеина (рис.2), проводится на мембранах с размером пор 0,1 мкм и при давлении порядка 1 бар. Микрофильтрация также совмещается с диафильтрацией (рис.2). В данном случае основное назначение диафильтрации — повышение концентрации казеина по отношению к сывороточным белкам. Как правило, в коммерческих продуктах это соотношение составляет 95/5 или 92/8, при этом после этапа микрофильтрации содержание общего белка в сухом веществе концентрата составляет около 85%.
При необходимости полученный КМК дополнительно концентрируют методом ультрафильтрации (рис. 2), также совмещенным с диафильтрацией. При этом в пермеат «вымывается» часть небелковых соединений, главным образом, лактоза и часть растворимых солей (рис. 3) за счет чего общее содержание белка в сухом веществе может быть повышено до 90%, но соотношение казеин/сывороточные белки уже не изменяется.
Рисунок 3. Компонентный состав небелковой фракции концентрированного КМК
На заключительном технологическом этапе концентрированные высокобелковые фракции, направляются на распылительную сушку. Массовая доля сухих веществ в концентратах, подающихся на распыление, как правило составляет (20 – 30) % и ограничивается их вязкостью, которая должна обеспечить эффективное распыление для получения требуемого размера распыляемых частиц и, соответственно, качества готового продукта (насыпной плотности, растворимости и др.). Если достижение оптимальной концентрации мембранными методами считается нецелесообразным, то перед сушкой концентраты казеина могут досгущаться на вакуум-выпарных установках. Для получения качественного продукта используется многостадиная сушка, которая позволяет снизить степень денатурации белков, а также минимизирует затраты энергии [14]. Полученные сухие концентраты с влажностью не более 5,0% направляются на фасовку.
Как указывалось выше, технологические приемы и режимы переработки сырья (рис. 1, 2) будут обуславливать компонентный состав, конформационное состояние белков сухих концентратов, и, соответственно, формировать их функционально-технологические характеристики, в частности, растворимость, набухание, способность стабилизировать пены и эмульсии, гелеобразование, термостабильность, органолептические.
Сравнение функционально-технологических свойств рассматриваемых добавок (рис. 4) [15], показывает, что кислотный казеин, как белок, выделенный в изоэлектрической точке, обладает довольно ограниченным диапазоном функциональных свойств. Трансформация его в казеинат натрия повышает эмульгирующие свойства, термостабильность, растворимость, пенообразующую способность. Однако при этом смачиваемость сухого продукта остается довольно низкой, что в некоторой степени сужает возможности его использования.
Рисунок 4. Функционально-технологические свойства мицеллярного казеина и молочно-белковых концентратов [14]
Концентрат мицеллярного казеина, как и концентрат молочного белка, обладает высокой растворимостью, пенообразующей и водосвязывающей способностью. Кроме того, в отличие от КМБ, КМК за счет преобладания в составе нативной формы казеина может сохранять термостабильность при температурах выше 80 °C, что позволяет включать его в рецептуры низколактозных низкожирных белковых напитков длительного хранения, придавая продукту текстуру и вкус аналогичный вкусу (1 — 2) % молока [15].
Поскольку сухой КМК обладает высокой смачиваемостью, растворимостью его также включают в сухие смеси спортивного, лечебного и даже детского питания, как как медленно усваиваемую белковую добавку, содержащую незаменимые аминокислоты и аминокислоты с разветвленными боковыми цепями (BCAA), которые являются ключевыми в синтезе мышечного белка [15, 16, 17].
Более низкая эмульгирующая способность КМК по сравнению с КМБ и казеинатом натрия (рис. 3), как и растворимость, может быть при необходимости увеличена путем корректировки минерального состава концентрата [15]. Следует отметить, что в отличие от казеината натрия КМК имеет более чистый мягкий нейтральный молочный вкус, что делает его более привлекательным при включении в рецептуры пищевых продуктов.
Концентрат мицелярного казеина может быть широко использован в различных отраслях пищевой промышленности, так как по своим свойствам превосходит сычужный казеин и приближен к казеинатам, а следовательно, может рассматриваться как альтернатива традиционным ингридиентам.
В молочных продуктах КМК может использоваться для стандартизации молочного сырья по массовой доле белка при производстве кисломолочных напитков, творога и сыров, плавленых сыров и сырных продуктов [18].
Благодаря высоким влагоудерживающим и эмульгирующим свойствам КМК также может быть использован при приготовлении кондитерских, мясных продуктов, кремов для взбивания, сливочных ликеров, различных диетических продуктов [17].
Возможность использования КМК при производстве мясных продуктов была исследована в Северо-Кавказском федеральном университете совместно с ООО ДМП. В качестве добавки использовался концентрат мицелярного казеина LACTOPRIMA PRO, BaltMilk.
Результаты исследования химического состава и основных функционально-технологических свойств КМК LACTOPRIMA PRO приведены в таблице 3. Согласно полученным данным, КМК обладает высоким значениям водопоглощающей способности и набухаемости, имеет довольно высокое значение рН (7.07), что определяет положительное влияние на функциональные характеристики мясного сырья и обеспечит высокую совместимость препарата с белками мясных систем. Исследование гелеобразующих свойств показало, что КМК образует гели при уровне гидратации 1 : 2. Прочность полученных гелей невелика, но с течением времени начинает повышаться, что может положительно сказаться на качестве вареных колбас в процессе их производства и реализации. Массовая доля белка в КМК составила 85,5%, это позволяет для обеспечения адекватной замены мяса по белку при изготовлении мясопродуктов проводить гидратацию в соотношении 1:4. КМК имеет достаточно высокий уровень жиропоглащающей способности (рис. 4), влияющей на формирование стабильности фаршевых систем, и препятствует появлению бульонно-жировых отеков, а также уменьшает потери при тепловой обработке. Устойчивость стабилизированных эмульсий увеличивается с ростом концентрации масла в системе, достигая наибольшего при 60 %.
Исследование физико-химических, структурно-механических и органолептических показателей модельных фаршевых систем типа вареных колбас, содержащие гидратированный КМК показали, что введение белкового препарата в мясные фарши приводит к смещению величины рН на 0,24−0,39 единиц по сравнению с контролем. Сдвиг рН положительно сказывается на водосвязывающих и водоудерживающих свойствах фаршевой системы и увеличивает выход готовой продукции на 17% при замене 20% мясного сырья.
Значение показателя предельного напряжения сдвига возрастало по мере увеличения в фарше доли гидратированного белкового препарата. Аналогичная тенденция наблюдается и по степени пенетрации: данный показатель наименьший в контрольном образце и составляет 2,0 мм, а при внесении белкового препарата степень пенетрации возрастает, и наибольшим значением данного показателя среди опытных обладал образец с 20% уровнем замены мяса птицы. С учетом дегустационной оценки модельных фаршевых систем был сделан вывод о возможности использования гидратированного препарата КМК в рецептурах белых колбасок из мяса птицы в количестве до 15 % от основного мясного сырья. Это позволяет разрабатывать рецептуры мясопродуктов с повышенной биологической и пищевой ценностью, при этом сохраняя или улучшая качество готового продукта, что безусловно делает КМК перспективным ингредиентом на рынке белковых добавок.
С точки зрения промышленной реализации можно отметить, что технологии мембранного фракционирования молока с использованием микрофильтрации и ультрафильтрации предполагает производство основного продукта – концентрата мицеллярного казеина, и переработку потоков, образующихся в процессе фракционирования: нативной сыворотки и пермеата нативной сыворотки. Нативная сыворотка, которая не содержит остаточного жира, микроорганизмов, продуктов ферментного и микробного гидролиза может использоваться для производства концентрата /изолята нативных сывороточных белков (нИСБ). Высокий уровень чистоты сывороточного белка и отсутствие побочных продуктов делают нИСБ идеальным источником протеина для любых направлений использования, особенно в области детского питания. Таким образом, предприятие получает возможность вырабатывать спектр целевых белковых концентратов с высокой добавленной стоимостью, не имеющих российских аналогов и способных конкурировать с импортными ингредиентами.
Володин, Д. Н. Новое поколение белковых ингредиентов на основе фракционирования молока / Володин Д. Н. Топалов В. К., Куликова И. К., Евдокимов И. А. — // Переработка молока : отраслевой специализир. журнал. — 2021. — N 8. — С. 10-12 . — ISSN 2222-5455
ГОСТ 31689-2012. МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. КАЗЕИН. Технические условия. Casein. Specification. МКС 67.100.10. Дата введения 2013-07-01.
Małecki J, Muszyński S, Sołowiej BG. Proteins in Food Systems-Bionanomaterials, Conventional and Unconventional Sources, Functional Properties, and Development Opportunities. Polymers (Basel). 2021 Jul 29;13(15):2506. doi: 10.3390/polym13152506. PMID: 34372109; PMCID: PMC8347159.
Abdullah Badem, Gürkan Uçar. Production of caseins and their usages. International Journal of Food Science and Nutrition, Volume 2. — Issue 1. – 2017. — P. 04-09
Тамим А.И. Мембранные технологии в производстве напитков и молочных продуктов / А.И. Тамим (ред.-сост.). Пер. с англ. // СПб.: Профессия. — 2016. – С. 245-248.
Boland, M. and Singh, H. 2014. Milk Proteins From Expression to Food. 3rd ed. H.Boland, Mike; Singh, ed. Academic Press, Cambridge, MA.
James, B. J., Jyng, Y., Cheng, X. D., Membrane Fouling during filtration of milk – a microstructural study. Journal of Food Engineering, 60, 431-437 (2003).
Meena G.S. Milk protein concentrates: opportunities and challenges / G. S. Meena, A. K. Singh, N. R. Panjagari, S. Arora // J Food Sci Technol. –2017. — V. 54(10). — P3010–3024. Published online 2017 Aug 31. doi: 10.1007/s13197-017-2796-0
E. Hurt, D.M. Barbano, Processing factors that influence casein and serum protein separation by microfiltration, Journal of Dairy Science, Volume 93, Issue 10, 2010, Pages 4928-4941, ISSN 0022-0302, https://doi.org/10.3168/jds.2010-3121.
Adams, M. C., & Barbano, D. M. (2013). Serum protein removal from skim milk with a 3-stage, 3× ceramic Isoflux membrane process at 50◦C 1. Journal of Dairy Science, 96(4), 2020–2034. https://doi.org/10.3168/jds.2012-6007
Beckman, S. L., & Barbano, D. M. (2013). Effect of microfiltration concentration factor on serum protein removal from skim milk using spiral-wound polymeric membranes1. Journal of Dairy Science, 96(10), 6199–6212. https://doi.org/10.3168/jds.2013-6655
Володин Д.Н. Модернизация оборудования для производства сухих молочных консервов / Д.Н. Володин [и др.] // Переработка молока: отраслевой специализир. журнал. – 2018. – № 7. – С. 12–14.
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. 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].
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.
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.
Технический регламент Таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции» (ТР ТС 033/2013) определяет творог, как «кисломолочный продукт, произведенный с использованием заквасочных микроорганизмов (лактококков или смеси лактококков и термофильных молочнокислых стрептококков) и методов кислотной или кислотно-сычужной коагуляции молочного белка с последующим удалением сыворотки путем самопрессования, и/или прессования, и/или сепарирования (центрифугирования), и/или ультрафильтрации…» [1].
Это определение охватывает основные стадии производства творога, включая отделение творожной сыворотки, которое в значительной степени влияет на органолептические, физико-химические и микробиологические свойства готового продукта. Можно отметить, что в ТР ТС 033/2013 практически в хронологическом порядке появления приводятся три возможных варианта этой технологической операции: прессование, сепарирование и ультрафильтрация.
Отделение сыворотки прессованием после подогрева и перемешивания сгустка уже не одно десятилетие используется при выработке традиционным способом классического, «рассыпчатого» творога, на долю которого приходится большая часть продаж российского рынка. Технологический процесс производства творога традиционным способом (рис. 1, а) предусматривает подготовку и нормализацию молока-сырья, пастеризацию нормализованной смеси, охлаждение до температуры сквашивания, заквашивание, обработку сгустка и отделение сыворотки самопрессованием или прессованием. Этапы самопрессования и прессования считались одними из наиболее трудоемких, особенно до начала внедрения в 1960-х гг. новых типов оборудования, позволяющих их механизировать.
При выработке обезжиренного творога или творога раздельным способом отделение творожного сгустка осуществляется преимущественно на сепараторах-творогоотделителях. Особенность раздельного способа производства творога заключается в том, что молоко-сырье сепарируется на обезжиренное молоко и высокожирные сливки. Обезжиренное молоко проходит тепловую обработку, сквашивание, затем сгусток после подготовки направляется на сепаратор-творогоотделитель. Творог, получаемый этим методом, имеет мягкую мажущуюся консистенцию и на финальном этапе производства может быть нормализован сливками. Метод довольно широко распространен на российских предприятиях.
Творожная сыворотка (рН 4,3–4,6), образующаяся и при прессовании, и при сепарировании, составляет около 70 % от объема сырья и содержит его водорастворимые компоненты (лактозу, минеральные вещества и т.д.), казеиновую пыль, остаточный молочный жир и сывороточные белки. Сепарирование значительно сокращает уход казеиновой пыли в сыворотку [2]. Что касается сывороточных белков, то даже использование специальных методов термической обработки [3] позволяет сохранить в продукте только 50–70 % их общего количества.
Рисунок 1. Обобщенная схема выработки творога: а – традиционным и раздельным способом, б – ультрафильтрацией сгустка
Максимальный переход сывороточных белков в продукт возможно обеспечить только с помощью мембранного фракционирования сквашенной смеси. В большинстве случаев, так же как и при раздельном методе, пастеризованное обезжиренное молоко предварительно сквашивается до pH 4,6–4,8. Сгусток направляется на тепловую обработку (термизацию), а затем в ультрафильтрационную установку (рис. 1, б). Процесс проходит при температуре 45,0–50,0 °С на модулях со спиральными полимерными мембранами, которые могут дополняться при необходимости плоскорамными модулями. Также возможно использование керамических мембран. Конечная конфигурация ультрафильтрационной установки зависит в основном от вязкости конечного продукта, обусловленной его составом, в том числе содержанием жира, и массовой долей сухих веществ.
В ультрафильтрационной установке используется принцип тангенциальной фильтрации, при котором поток направляется по касательной к поверхности мембраны, предотвращая образование осадка на ее поверхности. Движущей силой процесса является давление, которое «продавливает» сквозь мембрану компоненты с размером меньшим, чем поры мембран, формируя низкоконцентрированный поток – пермеат. Пермеат содержит низкомолекулярные компоненты, в том числе небелковый азот, лактозу, минеральные вещества. В концентрированной фракции остаются как частицы коагулированного казеина, так и сывороточные белки. Сравнение усредненного состава творожной сыворотки и пермеата сквашенной смеси (рис. 2) показывает, что практически 100 % сывороточных белков остаются в продукте. В пермеат переходят только низкомолекулярные пептиды и небелковые азотистые соединения. Удержание в процессе ультрафильтрации сывороточных белков, включающих оптимальный набор жизненно необходимых для организма аминокислот, с одной стороны, повышает пищевую ценность продукта, а с другой – увеличивает выход продукта с единицы сырья [4]. Полученная фракция с массовой долей сухих веществ 20–30 % имеет мягкую пастообразную консистенцию и фактически является готовым продуктом – мягким творогом, который проходит тепловую обработку, затем направляется на фасовку. Кроме того, мягкий творог может служить основой для самого широкого спектра творожных десертов, которые обладают привлекательным рыночным потенциалом, в первую очередь за счет популяризации у потребителей как продукта здорового питания.
Рисунок 2. Сравнение состава кислой творожной сыворотки и УФ-пермеата сквашенного сгустка
Помимо ультрафильтрации сгустка, можно выделить еще одно перспективное направление использования мембранной фильтрации в технологии творога. Как и при производстве сыров [4], ультрафильтрация может использоваться для стандартизации сырья по массовой доле белка. Обезжиренное молоко обрабатывается на УФ-установке до повышения содержания белка в среднем в 1,25 раза. В этом случае дальнейшая переработка сырья проводится с использованием традиционного оборудования, повышая эффективность его работы, минимизируя потери белка и увеличивая выход готового продукта [2].
При выработке творога, как и любого белкового продукта, всегда возникает вопрос об использовании фракций, образующихся при концентрировании сырья и / или отделении сгустка. Как было отмечено, основным побочным продуктом при использовании методов прессования и сепарирования является кислая творожная сыворотка. Опыт ООО «ДМП» показывает, что переработка кислой сыворотки связана с определенными трудностями. В частности, при получении концентрата сывороточных белков затруднена работа УФ установок, выход продукта – низкий, и получаемый при этом концентрат имеет низкое качество. По этой причине творожная сыворотка не рекомендуется для производства концентратов сывороточных белков 80 % и более.
В то же время пермеат, образующийся как при ультрафильтрации молока, так и при ультрафильтрации сгустка, может быть переработан в стандартный продукт, например сухой пермеат, с применением комплекса мембранных технологий [5].
Таким образом, интеграция мембранных процессов в технологию производства творога открывает новые возможности для интенсификации производства перспективного и маржинального на современном рынке продукта, а также позволяет организовать переработку вторичных молочных ресурсов на принципах безотходного производства, что повышает в целом рентабельность производства.
Список литературы
Технический регламент Таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции» (ТР ТС 033/2013) (с изменениями на 10 июля 2020 г.).
Cassano Alfredo & Drioli Enrico (2014). Integrated Membrane Operations: In the Food Production. 10.1515/9783110285666.
Schulz-Collins D., Senge B. Acid- and acid/rennet-curd cheeses part A: Quark, cream cheese and related varieties. – Editor(s): Patrick F. Fox, Paul L.H. McSweeney, Timothy M. Cogan, Timothy P. Guinee, Cheese: Chemistry, Physics and Microbiology, Academic Press, V. 2. – 2004. P. 301–328. ISSN 1874-558X, ISBN 9780122636530, https://doi.org/10.1016/ S1874-558X(04)80049-6.
Володин Д.Н. Стандартизация молока по белку в технологии производства сыров / Д. Н. Володин [и др.] // Сыроделие и маслоделие. –2021. – № 5. – С. 62–63.
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.
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
Tamime, A. Y. Membrane Processing: Dairy and Beverage Applications. Chichester, West Sussex: Wiley-Blackwell, 2013.
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
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
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
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
Боу-Хабиб Дж., Тальхаммер В. Микрофильтрация в молочном производстве//Молочная промышленность. – 2009. — №2. – с.57-58.
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
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
Хорошо известно, что молоко, которое, по выражению академика И.П. Павлова, является «изумительной и наиболее совершенной пищей, приготовленной самой природой», всегда составляло значимую долю рынка пищевых продуктов. Однако отношение потребителя к молоку как к пищевому продукту постепенно меняются от восприятия его на уровне «еды», до современных представлений о пищевой ценности входящих в его состав компонентов. Привычные критерии (вкусовые характеристики, доступность, цена) понемногу вытесняются критериями влияния продуктов на здоровье и безопасность, что, в свою очередь, требует от производителей выпуска продукции со свойствами, выходящими за рамки стандартных характеристик. Уникальный компонентный состав молока позволяет превращать основной продукт питания в сырье для производства функциональных ингредиентов с заданными свойствами. Основой большинства технологий ингредиентов из молока является его мембранная обработка с использованием процессов микро-, ультрафильтрации (рис. 1) либо их комбинаций, которые позволяют фракционировать молоко без изменения фазового состояния отдельных компонентов, минимизируя денатурирующее воздействие на белки, витамины и другие биологически важные составляющие перерабатываемого сырья [1].
Рисунок 1. Направления фракционирования казеиновой фракции обезжиренного молока
В традиционной переработке молока мембранные технологии используются, например, для концентрирования белка при производстве сыра. В зависимости от вида сыра сырье может быть сконцентрировано в 1,2–6,0 раза [2], за счет чего увеличивается выход в готовом продукте, сокращаются потери белка в виде казеиновой пыли, уменьшается расход энергоносителей, сервисных сред и т.д. Это в конечном счете повышает экономическую эффективность производства. При мембранном фракционировании компонентов молочного сырья процесс ультрафильтрации является основой получения концентратов и изолятов молочного белка (КМБ / ИМБ) (рис. 2), в которых соотношение казеин/сывороточные белки остается аналогичным этому соотношению в обрабатываемом сырье. КМБ широко применяется в пищевой промышленности для производства сыров, кондитерских изделий, йогуртов, мороженого, мясных продуктов, хлебобулочных, кондитерских изделий, шоколада, кофе. ИМБ входят в рецептуры продуктов спортивного питания, продуктов для снижения веса, энтерального и лечебного питания и т.д. [4]. Микрофильтрация используется для получения концентратов мицеллярного казеина (КМК). КМК – это неденатурированный казеин в естественной глобулярной структуре. В зависимости от количества удаляемого сывороточного белка, фракционирование обезжиренного молока дает ряд концентратов, отличающихся по соотношению казеин/сывороточные белки (рис. 2).
Рисунок 2. Фракционный состав белковых концентратов на основе молока
Это соотношение может варьироваться от 80:20, типичного для молока, до 95:5 в высокоочищенном КМК. Как правило, КМК должен иметь соотношение казеин/сывороточные белки не менее 92:8. Также как и при получении КМБ, для увеличения содержания общего белка в сухом веществе, снижения содержания лактозы и минеральных веществ может использоваться дополнительный шаг диафильтрационной обработки [3]. Основной областью применения КМК, особенно с высоким содержанием белка в сухом веществе, является спортивное питание. С другой стороны, амфипатическая структура, отсутствие стабильных вторичных и третичных структур казеинов способствуют их высокой поверхностной активности, что придает КМК хорошие пенообразующие и эмульгирующие свойства. Поэтому КМК включают в рецептуры самых разнообразных пищевых продуктов, таких как аналоги сыра, кремы для взбивания, сливочные ликеры, мясные изделия, различные диетические продукты [4]. Можно отметить, что в последние годы наблюдается определенный рост интереса к фракциям чистого казеина, особенно к β-казеину, благодаря его физико-химическим свойствам, биологическим и технологическим свойствам [5]. β-казеин имеет очень высокую поверхностную активность и может найти применение в качестве высокоактивного эмульгатора или пенообразователя. Обогащение молока β-казеином улучшает его сыродельные свойства. Этот белок также может включаться в смеси для грудного вскармливания для их адаптации. Фракция αS -казеина имеет структуру, позволяющую использовать ее в качестве структурообразователей и стабилизаторов. В процессах разделения фракций казеина, помимо мембранных процессов, используется их селективное осаждение, ионообменная хроматография, электрофорез и т.д. Если говорить о еще более глубоком фракционировании с использованием ферментативной обработки, то чистые фракции казеина являются источниками пептидов с биологической/физиологической активностью, например пептидов, которые обладают антигипертензивной активностью или способствуют всасыванию минералов [6]. С точки зрения перспектив промышленной реализации следует принимать во внимание, что технологии производства функциональных белковых ингредиентов требуют определенных капитальных затрат, которые связаны с организацией участка мембранной обработки сырья, подготовкой сырья к фракционированию, модернизацией или приобретением современного сушильного оборудования. Поэтому, начиная внедрение подобных технологий, следует ориентироваться в первую очередь на продукты, для которых прогнозируется устойчивый рост рынка. Так, например, по оценке GlobeNewswire, к концу 2027 г. мировой рынок КМК достигнет около 1050 млн долл. США, а КМБ – 3,44 млн долл. США, при этом в течение прогнозируемого периода (2019–2027 гг.) среднегодовой темп роста составит 6,1 и 4,0 %, соответственно. Тем не менее при должной организации такие технологии могут быть инвестиционно привлекательными, поскольку предприятие получает возможность вырабатывать ингредиенты с высокой добавленной стоимостью, не имеющие отечественных аналогов и способные конкурировать с импортными ингредиентами.
Список литературы
1. Мягкие сыры с УФ-концентратами / О.А. Суюнчев, И.Е. Евдокимов, А.С. Рудаков, Н.Я. Дыкало // Сыроделие и маслоделие. – 2007. – № 1. – С. 21–22.
2. Володин Д.Н. Процессы ультрафильтрации в рентабельной технологии сыров / Д.Н. Володин, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова // Молочная промышленность. – 2019. – № 9. – С. 18–20. – ISSN 1019-8946
3. Carter B.G. Invited review: Microfiltration-derived casein and whey proteins from milk / B G Carter, N Cheng, R Kapoor, G H Meletharayil, M A Drake // Journal of Dairy Science. – 2021. – Vol. 104, No. 3.
4. Rebouillat S. Potential Applications of Milk Fractions and Valorization of Dairy By-Products: A Review of the State-ofthe-Art Available Data, Outlining the Innovation Potential from a Bigger Data Standpoint / S Rebouillat, S. OrtegaRequena // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. – 2015. – Vol. 06. – No. 03. – P. 27.
5. Atamer Z. Isolation of casein protein fractions / Z. Atamer, K. Thienel, A. Holder, T. Schubert, R. Boom, J. Hinrichs // Advances in Food Science and Human Nutrition. – 2017 – Vol. 1, No. 1.
6. Mohantya D.P. Milk derived bioactive peptides and their impact on human health – A review / D.P. Mohantya, S. Mohapatra, S. Misrac. P.S. Sahub // Saudi Journal of Biological Sciences. – 2016. – Vol. 23. – Issue 5. – P. 577–583.
Мировой рынок сухих молочных ингредиентов в 2019 г. составил порядка в 53,8 млрд долл. США, а к 2025 г. прогнозируется [1] его увеличение до 81,4 млрд долл. США. Это объясняется значительным ростом осведомленности потребителей о продуктах здорового питания и, как следствие, повышением спроса на такие продукты, в том числе содержащие ингредиенты, полученные на основе молочного сырья. Сегодня для производства большинства сухих молочных ингредиентов, включая сухое обезжиренное и цельное молоко, сухие концентраты и изоляты сывороточного и молочного белка, детское питание, сливки, заменители цельного молока и т.д., используется распылительная сушка. По сравнению с другими методами этот метод наиболее универсален и позволяет проектировать рентабельную переработку значительных объемов сырья с широко варьирующимися характеристиками (см. рисунок).
Рис. 1. Основные ингредиенты из молока и молочной сыворотки
Благодаря большому разнообразию таких продуктов, они включаются в качестве функциональных ингредиентов в широкий спектр пищевой продукции: хлебобулочные и кондитерские изделия, продукты для лечебного и спортивного питания, смеси для детского питания и др.
Подбор сухих молочных ингредиентов, используемых в рецептуре пищевых продуктов, определяется показателями компонентного состава, пищевой ценности и безопасности добавки. Не менее важными являются характеристики, обуславливающие конструкцию и режимы эксплуатации оборудования для транспортировки, упаковки, дозирования и других технологических операций, требующихся при использовании того или иного ингредиента, в частности, размер и пористость частиц, насыпная плотность, текучесть, смачиваемость, диспергируемость, растворимость, гигроскопичность, термостабильность и др.
Как правило, и российские, и зарубежные стандарты и спецификации, нормирующие качество сухих молочных ингредиентов, содержат требования лишь к некоторым из них. Например, ГОСТ Р 53456-2009 и ГОСТ 33629-2015 нормируют только индекс растворимости сухого продукта и группу чистоты (наличие посторонних частиц в продукте) [2, 3]. Зарубежные стандарты включают также объемную плотность и насыпной объем продукта, для некоторых видов белковых концентратов нормируется и размер частиц.
Включение высокотехнологичного оборудования — мембранной фильтрации, пленочных выпарных установоки современных распылительных сушильных аппаратов — позволяет организовать процесс производства сухих молочных продуктов на высоком уровне, сокращает до минимума негативное воздействие на компоненты сырья.
Безусловно, указанные параметры являются наиболее значимыми характеристиками ингредиентов. Например, индекс растворимости (нерастворимости / Insolubility index) характеризует меру конечного состояния, до которого компоненты порошка могут быть введены в раствор или стабильную суспензию. Плохо растворимые порошки вызывают трудности при обработке и приводят к значительным потерям при восстановлении. Насыпная плотность также является экономически и функционально важной характеристикой, поскольку определяет требования к материалам и выбор оборудования для упаковки сухих продуктов. Показатель термостабильности сухих продуктов обязательно нормируется для ингредиентов, использующихся в смесях для детского питания. Также термостабильность имеет значение при производстве восстановленных молочных продуктов.
С другой стороны, существует ряд показателей, которые даже без упоминания в спецификациях должны учитываться при выборе технологических режимов переработки сухих ингредиентов. В частности, гигроскопичность имеет большое значение при определении чувствительности сухого продукта к колебаниям влажности и температуры во время хранения и обработки. Смачиваемость, диспергируемость, погружаемость частиц, кофейный тест — обязательные качественные характеристики быстрорастворимых порошков. Сыпучесть, показывающая, насколько свободно частицы порошка движутся относительно друг друга, имеет решающее значение для проектирования пневмотранспорта, устройства наполнения и опорожнения бункеров, дозирования, смешивания и кондиционирования порошков [4]. Как правило, порошки с хорошими характеристиками текучести — это порошки с большими агломератами и небольшим количеством мелких частиц.
Все упомянутые характеристики напрямую зависят как от технологических режимов подготовки молочного сырья и условий концентрирования сырья до подачи на сушку, так и от параметров сушки: тип распылительной сушилки; тип распылителей (форсунки или дисковые); агломерация, температура сушки и др. [5].
Только оптимальные параметры этих производственных процессов обеспечивают необходимое качество конечного продукта.
Ориентация на качество готового продукта — главная задача ООО «ДМП» при проектировании комплексных линий, для достижения которой используются современные мембранные установки, вакуум-выпарные аппараты и распылительные сушилки. Это основное оборудование позволяет внедрить инновационную технологию производства сухих молочных продуктов, обеспечивая их высокое качество и безопасность.
Практический опыт ООО «ДМП» совместно с компанией «Вздухоторг» показывает, что включение высокотехнологичного оборудования, такого как пленочные выпарные установки и современные распылительные сушильные аппараты, позволяет организовать процесс производства сухих молочных продуктов на высоком уровне, сокращает до минимума негативное воздействие на компоненты сырья. Такой подход дает возможность производства новых высокорентабельных и конкурентоспособных продуктов.
Список литературы
New York, Feb. 07, 2020 (GLOBE NEWSWIRE), Reportlinker.com announces the release of the report Dairy Ingredients Market by Type, Application, Livestock, Form And Region — Global Forecast to 2025 — https:// www.reportlinker.com/p04259109/?utm_ source=GNW.
ГОСТ Р 53456-2009. Концентраты сывороточных белков сухие. Технические условия.
ГОСТ 33629-2015. Консервы молочные. Молоко сухое. Технические условия (с Поправками).
Sharma A. Functionality of Milk Powders and Milk-Based Powders for End Use Applications — A Review / A. Sharma, A.H. Jana, R.Sh. Chavan. — Текст : электронный. — Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. — 2012. — V. 11, issue 5. — P. 518528. doi:10.1111/j.1541-4337.2012.00199.x
Володин Д.Н. Модернизация оборудования для производства сухих молочных консервов / Д.Н. Володин [и др.] // Переработка молока. — 2018. — № 7. — С. 12-14.
Сегодня множество исследований в области питания подтверждает наличие в рационе современного человека дефицита белка по сравнению с другими компонентами пищи — углеводами и жирами. Именно поэтому области использования белковых ингредиентов в последнее время расширяются [1].
Молочная сыворотка, как и все молочное сырье, является одним из наиболее доступных источников полноценного белка. Благодаря уникальному аминокислотному составу сывороточные белки имеют высокую пищевую ценность и широко используются при разработке современных рецептур функциональных продуктов диетического, спортивного и других видов специального питания. Более того, наблюдается тенденция использования добавок, специально разработанных для обогащения белками таких продуктов, как соусы, хлопья для завтрака и т.д. Особым направлением является использование сывороточных белков в детском питании при создании адаптированных или гуманизированных смесей для питания детей раннего возраста [2].
С расширением сферы применения белковых ингредиентов неизбежно возникает вопрос об их доступности на рынке, которая, в свою очередь, зависит от эффективности и доступности технологических приемов, использующихся при производстве белковых ингредиентов. Одной из технологий, которая полностью изменила промышленную переработку сыворотки в целом и сделала процесс получения сывороточного белка экономически и технологически эффективным, была, безусловно, мембранная фильтрация. Изначально основной причиной активного внедрения мембранных процессов стала необходимость обязательной переработки подсырной сыворотки из-за ужесточившихся мер по охране окружающей среды. Наиболее доступной технологией оказалась сушка сыворотки, но процесс был очень энергетически затратен, поскольку в качестве сырья использовалась нативная сыворотка с содержанием сухих веществ порядка 6,5 % [2]. Поиск экономичных способов предварительного концентрирования сыворотки перед сушкой и послужил толчком для внедрения мембранной фильтрации в молочную промышленность, в частности, установок обратного осмоса. Следующим шагом была разработка процесса ультрафильтрации для получения из сыворотки продуктов с высокой добавленной стоимостью. И наконец, к концу XX в. были внедрены два других фундаментальных мембранных процесса — нанофильтрация и микрофильтрация. Таким образом, с начала 1970-х годов способ ультрафильтрационной обработки используется в той или иной форме на всех современных линиях переработки молочной сыворотки.
Рынок коммерческих белковых ингредиентов на основе молочной сыворотки представлен концентратами (КСБ), изолятами сывороточных белков (ИСБ), отличающихся по содержанию белков в сухом веществе [3], а также гидролизатами сывороточных белков (ГСБ). Распространение микрофильтрации обезжиренного молока привело к появлению нового вида сырья, так называемой нативной или мицеллярной казеиновой сыворотки, и, как следствие, новых продуктов — нативного концентрата и изолята сывороточных белков. Сегодня они мало распространены на рынке, но их популярность активно растет, так как они обладают рядом преимуществ за счет специфичного состава белковой фракции [4].
В пределах указанных категорий концентраты и изоляты сывороточных белков как пищевые ингредиенты характеризуются спектром показателей химического состава (массовая доля влаги, белка, лактозы, жира, золы и др.), безопасности (КМАФАнМ, колиформы, E. coli, Salmonella и др.), оговариваемых в соответствующей российской и зарубежной технической документации [5, 6].
Технологические свойства сывороточно-белковых концентратов
Функциональное свойство
Тип действия
Пищевые продукты
Растворимость
Белковая сольватация
Напитки
Абсорбция воды и связывание
Поглощение воды, загустевание
Колбасы, пирожные, хлебобулочные изделия
Вязкость
Сгущение, связывание воды
Супы, заправки для салатов
Застывание
Формирование и фиксация белковой матрицы
Мясо, творог, выпечка, сыр
Когезия-адгезия
Белок действует как клейкий материал
Мясные колбасы, выпечка, макаронные изделия
Эластичность
Гидрофобная связь с глютеном, дисульфидные связи в гелях
Мясо, хлебобулочные изделия
Эмульгирование
Формирование и стабилизация жировых эмульсий
Колбасы, заправка для салата, забеливатели для кофе и чая, сухие супы, пирожные, детское питание
Вспенивание
Образует стабильную пленку для захвата газа
Взбитые десерты, пирожные, взбитые топпинги
С точки зрения ингредиентов функционального питания спецификации КСБ и ИСБ также обязательно должны содержать информацию о пищевой ценности продукта: аминокислотный профиль, показатели усвояемости белка (коэффициент эффективности белка (PER), биологическая ценность белка (BV), аминокислотный коэффициент усвояемости белков (PDCAAS)), профиль жирных кислот и углеводов, калорийность.
При использовании КСБ и ИСБ в производстве других продуктов питания помимо вышеупомянутых свойств необходимо оценить их функции как пищевого ингредиента (см. таблицу) [7].
И если состав, питательная ценность КСБ и ИСБ в первую очередь зависят от компонентного состава обрабатываемой сыворотки, то функционально-технологические характеристики больше определяются особенностями процессов, используемых для производства продукта. Это обязательно должны учитывать производители белковых ингредиентов.
Полная технологическая схема производства КСБ и ИСБ включает комплекс технологических операций от приемки и хранения сырья до упаковки и хранения готового продукта. Конечно, характеристика входящего сырья будет влиять как на качественные характеристики готового продукта, так и общий расход сырья на выработку единицы продукции. Расход также будет зависеть от вида вырабатываемого концентрата (см. рисунок).
Из ключевых операций, определяющих качество продукта при одинаковом качестве исходного сырья, можно выделить подготовку сыворотки к переработке, непосредственно мембранное фракционирование сырья методом ультрафильт- рации/микрофильтрации и финишные операции, например сушку и др.
Целями предварительной обработки сыворотки являются как обеспечение эффективной работы мембранного оборудования, так и сохранение функциональных, технологический свойств и безопасности конечного продукта. Предварительная обработка сыворотки [4] должна обязательно включать очистку от жира и взвешенных частиц и тепловую обработку — пастеризацию или термизацию. Как правило, пастеризация с температурами до 70 °С не приводит к значительным изменениям функциональных свойств, хотя несколько меняет минеральный профиль продуктов, уменьшая содержание кальция и магния [2]. Кроме этого могут быть задействованы процессы деминерализации, умягчения, регулировки рН, предварительного концентрирования, удаления фосфата кальция и т.д. Стоимость аппаратурного оформления, эксплуатационные расходы, влияние на белковый компонент сырья этих процессов могут быть весьма значительны, поэтому решение о включении их в типовую линию должно быть тщательно обосновано требованиями к функциональности конечных продуктов.
Основной этап технологического цикла — мембранное фракционирование может включать только ультрафильтрационное разделение сыворотки либо сочетание процессов ультра-, диа- и микрофильтрации. Диафильтрация используется при производстве концентратов с высоким содержанием белка, позволяя удалить большую часть лактозы и золы. Микрофильтрация удаляет остаточные липиды из концентратов белка или сыворотки, которые присутствуют не в форме отдельных жировых шариков, а скорее в форме липопротеиновых комплексов. Такие комплексы имеют плотность, равную или превышающую водную фазу и, следовательно, не могут быть удалены обычными методами разделения. Микрофильтрация положительно влияет на функциональность белковых концентратов и изолятов, повышая уровень белка в сухом веществе до 90-95 %. Однако, как было отмечено ранее, включение дополнительной операции увеличивает себестоимость продукта и должно быть обосновано требованиями локального рынка белковых ингредиентов.
Общее влияние ультрафильтрации на функциональность сывороточных белков незначительно и не зависит от температурных режимов, хотя [2] отмечалось увеличение воздействия гидрофобных групп белковых молекул без значительной потери растворимости.
Блок-схема производства КСБ/ИСБ из подсырной сыворотки
Все последующие операции, связанные с переработкой жидкого белкового концентрата до сухого продукта, должны быть направлены на сохранение технологических и функциональных свойств готового продукта и проводиться в максимально мягких
условиях. Например, необходимо по возможности избегать высокотемпературной обработки непосредственно жидкого концентрата, которая негативно сказывается на эмульгирующей, гелеобразующей способности сухих концентратов и их растворимости [3].
Ультрафильтрационные концентраты при производстве высокобелковых ингредиентов характеризуются достаточно высоким содержанием сухих веществ — 24-30 % и более, среди которых основную долю занимают сывороточные белки, т.е. такой концентрат имеет коллоидную природу. Вязкость УФ-концентратов возрастает с увеличением массовой доли белка, снижением температуры и уменьшением сдвиговых воздействий. Чаще всего при нормальных условиях (при 20 °С) вязкость белковых концентратов является величиной непостоянной и продукт проявляет неньютоновский характер течения. При повышении температуры до 50 °С и интенсивном механическом воздействии характер неньютоновского поведения заметно снижается, гидродинамические характеристики улучшаются и обеспечивают требуемый средний размер капель при распылении в сушильной башне. Этот показатель особенно важен при сушке высокобелковых концентратов, содержащих довольно большое количество жира в сухом веществе.
Сухие концентраты и изоляты сывороточных белков — очень легкие порошки с высоким содержанием поглощенного воздуха. Для уменьшения его доли при распылении используется форсунка под давлением.
Тепловые режимы распылительной сушки малоинвазивны: из-за быстрого нагрева и охлаждения за счет испарения внутренняя температура частиц продукта обычно не превышает 60 ° C, т.е. сушка критически не влияет на функциональные свойства концентрата. Тем не менее требуются строгий подбор и соблюдение условий нагрева продукта, подаваемого на сушку, чтобы минимизировать возможность протекания реакции Майяра, вызывающей пороки вкуса и аромата концентратов и продуктов на его основе [8]. При необходимости создания быстрорастворимых концентратов проводится агломерация — процесс создания небольших скоплений частиц, которые обеспечивают повышенную пористость и сокращают время диспергирования порошка в жидкостях.
Срок хранения сухих концентратов сывороточного белка зависит от их состава и условий хранения. В зависимости от производителя срок хранения сухих КСБ и ИСБ составляет от 6 до 36 мес при температуре порядка 2025 °С, влажности 65-76 %. Что касается состава белковых концентратов, то изменения при хранении главным образом связаны с лактозой: происходят лактозилирование белка, потемнение продукта за счет реакции Майяра. Чем выше содержание лактозы в продукте, тем выше вероятность возникновения функциональных изменений в процессе хранения. Безусловно, и белковая фракция может подвергаться изменениям (частичной денатурации, полимеризации, циклизации), и жировая составляющая (окислению липидов) [2, 8]. Но с практической точки зрения контроль содержания свободной лактозы в продукте может действительно помочь быстро определить стабильность сухих концентратов: любое уменьшение содержания свободной лактозы указывает на изменение структурных и (или) функциональных свойств порошков при хранении.
КСБ 80 АО «Молвест»
Таким образом, значительные объемы качественного сырья и современные технологичные подходы к переработке сыворотки путем использования мембранных процессов, характеризующихся простотой обслуживания, низким энергопотреблением, небольшим сроком окупаемости, делают технологию производства концентратов и изо- лятов сывороточных белков инвестиционно привлекательной. Особенно учитывая тенденции современного мирового рынка молочных ингредиентов к устойчивому повышению спроса на высокобелковые продукты [1].
Примером успешной реализации такого проекта в России является АО «Молвест», на площадке которого в 2019 г. специалистами компаний «ДМП» (Россия) и «Вздухоторг» (Словакия) совместно со специалистами молокоперерабатывающего завода внедрена комплексная линия производства первого российского концентрата сывороточного белка 80 %. Установленное оборудование позволяет предприятию из достаточно дешевого и доступного сырья получать функциональные белковые ингредиенты высокого качества с высокой добавленной стоимостью, не уступающие зарубежным аналогам.
Список литературы
1. Global fundus camera market analysis & trends — industry forecast to2025, milk protein market [report] accuracy research. 2019. P.313.
2. Whey Proteins. From Milk to Medicine, 1st Edition, Editors: Hilton C Deeth Nidhi Bansal, Paperback ISBN: 9780128121245, eBook ISBN: 9780128121252. Published Date: 1st September 2018. — 746 p.
3. Володин, Д.Н. Перспективы производства сухих белковых ингредиентов на основе молочного сырья / Д.Н. Володин, А.С. Гридин, И.А. Евдокимов // Молочная промышленность. 2020. № 1. С. 28-30.
4. Burrington, K.J. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities. Доступно по адресу: http://bit.ly/1clImgChttps://www.yumpu.com/en/ document/read/32392564/milk-fractionation- technology-and-opportunities-technical-report.
5. Swarnalatha, G. Different Approaches to Improve Thermostability of Whey Proteins: A Review / G. Swarnalatha, S. Mor // Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2019. V. 8. № 4. P. 1679-1688.
6. ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции».
7. International food standards (FAO/WHO Codex Alimentarius).
8. Carter, B. The effect of spray drying on the difference in flavor and functional properties of liquid and dried whey proteins, milk proteins, and micellar casein concentrates / B. Carter, H. Patel, D.M. Barbano, M. Drake // Journal of Dairy Science. 2018. V. 101. № 5. P. 3900-3909. DOI: 10.3168/jds.2017-13780. Epub 2018 Mar 1.
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.
Мягкие сыры c «фетровым» покрытием белого мицелия, созревающие под действием поверхностной белой плесени Penicillium camemberti, становятся все более популярными среди российских потребителей.
Типичным примером таких сыров является «Камамбер», который представляет собой сыр цилиндрической формы, с мягкой консистенцией. Penicillium camemberti придает этому сыру характерный внешний вид, своеобразный аромат и вкус. Считается, что технология «Камамбера» пришла из Нормандии в 1790 г. Промышленное производство «Камамбера» и других плесневых сыров началось с конца XIX в. и получило широкое распространение во Франции. За ней последовали другие европейские страны, Америка, Новая Зеландия, Австралия, Россия. В настоящее время доля плесневых сыров составляет около 7–8 % от общего производства сыров в странах Европейского союза и 2–3 % от мирового производства [1].
В современной России производство плесневых сыров получило новый импульс в 2014 г., когда были введены ограничения на ввоз ряда продуктов зарубежного производства. Тогда наибольшие изменения коснулись рынка сыров – доля импорта в потреблении упала с 45–48 % в начале 2014 г. до 20–23 % в среднем по стране. Это активизировало производство нехарактерных для российской молочной промышленности видов сыров, в том числе и плесневых.
Производство плесневых сыров всегда было экономически привлекательным. Еще в статье основателя Вологодского молочного института профессора Аветиса Айрапетовича Калантара в 1891 г. упоминалось, что «…производство французских сыров считается наивыгоднейшим в молочном хозяйстве …ни одно производство не может дать такого дохода…» и что прибыль от плесневых сыров может быть в 2 раза больше, чем от масла [2]. На сегодняшний день, сравнивая нормы расхода молока-сырья на производство различного вида сыров, можно отметить, что «Камамбер» в связи с технологическими особенностями и коротким сроком созревания наиболее привлекателен с экономической точки зрения. В отличие от полутвердых видов сыров норма расхода молока для его производства меньше почти в 2 раза.
В качестве сырья при выработке традиционного нормандского «Камамбера», который сейчас известен как «Camembert de Normandie», используется сырое молоко. Но чаще всего производители плесневых сыров используют пастеризованное нормализованное молоко для обеспечения безопасности продукта. Созревание молока до рН 6,45–6,55 в этом случае происходит под действием специальных культур молочнокислых микроорганизмов [3] (рис. 1). Последующие операции (внесение фермента, основной заквасочной микрофлоры, образование и обработка сгустка, посолка) направлены на создание оптимальных условий протекания метаболических реакций в процессе созревания для создания уникального вкуса и аромата. Длительность созревания зависит от типа плесневого сыра и особенностей вносимой закваски, состав которой может варьироваться. Микробиота плесневых сыров, таких как «Камамбер», образует сложную экосистему, но, несмотря на многочисленные исследования, мониторинг развития микроорганизмов в процессе созревания остается одной из основных технологических задач.
Рисунок 1. Миграция метаболитов в процессе созревания «Камамбера» [3]
Для производства «Камамбера» обычно используют заквасочные культуры, содержащие штаммы мезофильных молочнокислых микроорганизмов (главным образом Lactococcus lactis subsp. lactis, Lactococcus lactis subsp. cremoris, Lactococcus lactis subsp. lactis biovar. diacetilactis, Leuconostoc lactis, Leuconostoc mesentroides subsp. cremoris) [4, 5]. В отличие от Lactococcus, которые в основном отвечают за накопление молочной кислоты и понижение рН, роль Leuconostoc состоит в формировании вкуса и аромата сыров за счет образования диацетила, углекислого газа, ацетона и т.д. Иногда в состав заквасок включают Str. thermophilus, позволяющие оптимизировать скорость созревания сыров. Основная микрофлора, участвующая в процессе созревания «Камамбера», – Penicillium camemberti, Geotrichum candidum, Corynebacterium и некоторые другие виды микроорганизмов.
Род Penicillium относится к группе аскомицетов и формирует белый воздушный мицелий. Однако после нескольких дней созревания P. camemberti может становиться сероватым за счет серого цвета спор. Поэтому в качестве заквасочной культуры пользуются вариантом P. camemberti – P. сaseicolum или P. candidum [3], мицелий которого остается идеально белоснежным в процессе созревания. P. candidum быстро разрастается в течение 6–7 дней, доминирует над микрофлорой на поверхности сыра и подавляет загрязнение нежелательными бактериями и плесенями [6]. Можно отметить, что при использовании сырого молока «Камамбер» содержит также дрожжи (K. lactis, S. cer e visiae, D. hansenii), плесени (P. camemberti, G. candidum) и бактерии (Corynebacterium и B. linens). Такое сочетание культур придает сырам сенсорные свойства, типичные для нормандского «Камамбера», но диктует повышенные требования к молоку-сырью.
Вместе с P. camemberti и молочнокислыми микроорганизмами также часто используется G. candidum. Это плесень, обладающая дрожжеподобными свойствами, колонизирует поверхность сыра до начала роста P. camemberti и ингибирует развитие нежелательной микрофлоры. Рост G. candidum стимулирует размножение P. camemberti на поверхности сыра, предотвращая его чрезмерную протеолитическую активность и снижая возможность появления горечи. Формирующийся в процессе созревания сложный состав микрофлоры [5], особенно при использовании сырого молока, требует строгого соблюдения параметров (температуры, количества соли и влаги, активности воды, pH) для обеспечения развития на поверхности сыров «правильной» микрофлоры.
Начальный период созревания плесневых сыров характеризуется активным ростом поверхностной микрофлоры, в первую очередь G. candidum и дрожжей, при использовании сырого молока. После этого поверхность сыров полностью колонизируется P. camemberti до повышения pH с 4,9 до 5,8 за счет быстрого метаболизма лактата до CO2 и H2O и диффузии лактата от центра к периферии.
Когда лактат истощается, P. camemberti начинает метаболизировать белки с образованием NH3, который диффундирует внутрь, еще больше поднимая pH. Также высокие значения рН вызывают миграцию ионов кальция и магния на поверхность сыров. Совместное действие повышения pH и снижения концентрации ионов кальция во внутренней части сыров способствует характерному размягчению внутренней части сыра, который после созревания имеет почти жидкую консистенцию (рис. 2).
Рисунок 2. Метаболиты, формирующие вкус и аромат сыров типа «Камамбер»
Повышенный уровень pH также стимулирует активность ферментов и рост микрококков и Corynebacterium, которые вызывают образование соединений, формирующих сенсорные характеристики сыра.
Анализ этих соединений показывает, что преобладающими компонентами являются продукты катаболизма жиров и жирных кислот. Причем коротко- и среднецепочечные жирные кислоты, содержание которых может варьироваться от единиц до сотен ppm в продукте, напрямую участвуют в формировании вкуса. Так, уксусная и пропионовая кислоты имеют типичный вкус и запах уксуса, масляная кислота – прогорклый, сырный запах, изомасляная – сладковатый запах, напоминающий запах гнилых фруктов. Как правило, повышение рН сыра при созревании смягчает ярко выраженные вкусы этих кислот.
Появление продуктов β-окисления жирных кислот – метилкетонов связано с ферментативной липазной активностью вторичной микрофлоры (P. camemberti и G. candidum). Эти соединения формируют специфические фруктовые и цветочные ароматы. Характерную грибную нотку «Камамберу» придает кетон 1-октен-3-он, являющийся производным линолевой и линоленовой кислот. Его производное, вторичный спирт 1-октен-3-ол, также является ключевым соединением в общем аромате сыра при низком пороге восприятия (0,01 ppm). Подобные вторичные спиртовые соединения «Камамбера», продуцируемые P. camemberti из соответствующих метилкетонов, вносят значительный вклад во вкус «Камамбера» с похожими, но более тяжелыми вкусовыми нотами. Причем значительное превышение пороговых значений приводит к появлению пороков вкуса. Выраженные фруктовые ноты персика, абрикоса, а также кокоса «Камамберу» придают лактоны, а производные пропионовой и уксусной кислот формируют оттенки вкуса розы, груши, медовый аромат [6].
Для углеводов основным метаболитом является лактат, который образуется в процессе гликолиза. Лактат – источник диацетила и ацетона, которые придают сырам характерный маслянистый привкус, и этилового спирта, обладающего мягким эфирным вкусом и ароматом.
Продукты протеолиза (низкомолекулярные пептиды и жирные аминокислоты) формируют так называемый «фоновый», неспецифичный сырный вкус и имеют ограниченное влияние на его аромат. Более того, как известно, главной причиной горечи в сырах является накопление коротких гидрофобных пептидов, чему способствует сильная протеолитическая активность P. camemberti, особенно его кислой протеазы. G. candidum может понижать вероятность возникновения горечи в сыре за счет высокой пептидазной активности и придавать определенную «мягкость» вкусу продукта [3].
Однако при избыточной влажности окружающей среды G. candidum может развиться настолько сильно, что размягчит корочку сыра, проникнет внутрь, сделает консистенцию сыра излишне жидкой, а вкус – горьким.
Совместная коррекция температуры и влажности позволяет регулировать процесс созревания, изменяя соотношение заквасочной микрофлоры. Напри — мер, повышение температуры в камере созревания на 1–2 °С при нештатной ситуации можно скомпенсировать понижением влаги примерно на 5 % [6]. Аммиак, образующийся при дезаминировании аминокислот, в значительной степени способствует созданию типичного аромата «Камамбера» и повышению pH. Продуцирование аммиака связано с дезаминирующей активностью P. сamemberti и B. linens.
Аммиак, который ассоциируется со зрелым «Камамбером», образуется на поздних этапах созревания, когда P. camemberti начинает подавлять B. linens и Cory neba — cterium [4]. Пороговое значение запаха для аммиака довольно низкое (около 5 ppm), поэтому его интенсивное образование приводит к возникновению пороков вкуса и аромата, характерных для «перезрелого» сыра.
Большее значение представляют катаболиты аминокислот – первичные и вторичные спирты, эфиры, амины, серосодержащие соединения, альдегиды. Во время окислительного дезаминирования или трансаминирования аминокислоты могут превращаться в α-кетокислоты, которые могут быть либо декарбоксилированы, либо химически разложены до альдегидов. Альдегиды придают травянистый аромат, но могут вызывать пороки вкуса при превышении пороговых значений.
Обобщая приведенную информацию, можно отметить, что вкусовой букет сыров типа «Камамбер» формируется более 100 метаболитами, продуцируемыми заквасочной микрофлорой в ходе сложных биохимических процессов. Преобладание «правильных» вкусоароматических соединений зависит от многих факторов, в особенности от условий технологического процесса. Поэтому для получения продукта высокого качества необходимы не только контроль условий созревания (содержания соли, pH, температуры, влажности и др.), строгое соблюдение технологических режимов, но и коррекция режимов с учетом условий производства.
Практическая реализация технологии плесневых сыров на примере ООО «Калория» (рис. 3) показывает, что, безусловно, производство точной копии нормандского «Камамбера» из сырого молока – задача трудно реализуемая, особенно принимая во внимание критическое влияние сырья на качество и главное – безопасность продукта. С другой стороны, правильный подбор заквасочных культур и условий созревания позволяет варьировать вкус и аромат продукта и добиваться желаемого результата.
Рисунок 3. Производство плесневых сыров на ООО «Калория»
При использовании термофильных микроорганизмов сыры более стабильны при созревании, меньше подвергнуты влиянию отклонений от технологических параметров, но созревают на 10–15 дней дольше. Такие сыры более устойчивы в процессе хранения, что является важным параметром при реализации в торговой сети. Мезофильные заквасочные культуры приближают вкус продукта к классическому «Камамберу». Но этот вид закваски требует жесткого соблюдения всех технологических параметров созревания и хранения сыра. Даже небольшие отклонения в режимах созревания могут привести к быстрому появлению таких пороков, как «жабья шкура» и коричневые пятна на поверхности сыра, размягчению поверхности сыра.
Таким образом, несмотря на то что технологии получения сыров, вырабатываемых с использованием плесеней, известны давно, их широкомасштабное и успешное внедрение в практику сыроделия требует глубокого понимания всех процессов, происходящих при выработке сыра. С другой стороны, еще одним немаловажным фактором выработки качественных сыров является использование современного и надежного оборудования на основе комплексного подхода, в котором одновременно решаются задачи технологии и аппаратурного оформления.
ООО «Калория» (Краснодарский край) является одним из основателей производства плесневых сыров в современной России. Практический опыт компании показывает, что прежде всего производитель должен четко понимать, какой продукт он намерен предложить потребителю. При этом подход к построению технологических линий должен быть комплексным. Учитывая данные факторы, ООО «Калория» совместно с VPS engineering (Чехия) успешно реализовало технологическую линию, которая позволяет производить высококачественный продукт, востребованный потребителями, и дает возможность дальнейшего развития производства с минимальными издержками в отношении капитальных затрат.
3. Comparative study on freeze-dried lactic cheese starters and ripening cultures for the production of camembert cheese: a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Food Technology, Massy [i.e. Massey] University, Albany, New Zealand. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://hdl.handle.net/10179/4811.
4. Wolfe, B.E. Cheese rind communities provide tractable systems for in situ and in vitro studies of microbial diversity / B.E.Wolfe [et al.] // Cell. 2014. V. 158. P. 422–33.
5. Bockelmann, W. Cultures for surface ripening of smeared soft cheese (in German) / W.Bockel — mann [et al.] // Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte. 2003. V. 55 (4). P. 277– 299.
6. Садовая, Т.Н. Научное обоснование и разработка технологий производства сыров с плесневыми грибами Penicillium: дис. … д-ра техн. наук: 05.18.04 / Т.Н.Садовая; [Место защиты: Кемеровский технологический институт пищевой промышленности]. – Кемерово, 2011. – 345 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.
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
Современный рынок молочных консервов представлен довольно широкой линейкой продукции. Мировые объемы производства сухих и сгущенных продуктов из молочного сырья остаются довольно стабильными даже при небольших колебаниях рынка отдельных видов продукции [1]. Например, аналитики отмечают незначительное снижение роста производства сухого цельного и обезжиренного молока в Европе и США в 2018 г. Тем не менее, большинство прогнозов оценивают совокупные темпы годового роста производства сухих молочных продуктов порядка 3–5 % в течение 2018– 2027 гг. [3].
Несмотря на разнообразие технологических приемов, необходимых для производства сгущенных и сухих продуктов из молочного сырья, одним из основных этапов является концентрирование или сгущение сырья методом выпаривания влаги [4, 5]. Учитывая многокомпонентный состав молочного сырья, его термолабильность, к условиям выпаривания всегда предъявлялись особые требования. Для исключения необратимых изменений свойств компонентов за счет денатурации белков, реакции меланоидинообразования и т.д. температура кипения молочного сырья должна быть пониженной, так же, как и температура греющей поверхности, контактирующей с продуктом.
Со времен изобретения первого выпарного аппарата для сгущения молока в XVIII в. процесс выпаривания осуществляется в условиях искусственно созданного вакуума и конденсации пара, выпаренного из молока [5]. Первые выпарные установки представляли собой аппараты периодического действия со встроенными трубчатыми нагревателями (рис. 1).
Емкость, заключенная в кожухе, наполнялась молоком, пока нагревательные элементы не погружались в жидкость. В процессе нагрева молока и выпаривания влаги в аппарат дозированно подавалось свежее молоко, чтобы поддерживать требуемый уровень жидкости. По достижении требуемой концентрации сухих веществ в полученном молоке нагрев прекращался, вакуум сбрасывался и сгущенный продукт удалялся из аппарата. Весь процесс выпаривания занимал несколько часов, поэтому в результате длительного температурного воздействия значительно повышалась вязкость продукта, что позволяло достигать максимально 40 % сухих веществ. Даже в более позднее время давались рекомендации не проводить сгущение более чем в 2 раза для нормальной эксплуатации выпарной установки и обеспечения качества готового продукта.
Рисунок 1. Схема вакуум-выпарного аппарата (1871 г.), размещенная в бюллетене Ассоциации американских молочных фермеров [6]
Современные вакуум-выпарные установки (ВВУ) представлены аппаратами трех типов: циркуляционные с естественной и принудительной циркуляцией; пленочные. Установки могут быть одно- или многокорпусными, периодического или непрерывного действия.
Основные элементы вакуум-выпарных установок: калоризатор, обеспечивающий подогрев сырья до точки кипения и выпаривание влаги, сепаратор для отделения полученного (выпаренного) пара от продукта, вакуумный насос для создания и поддержания вакуума, конденсатор выпаренного пара [11]. Помимо этого в зависимости от комплектации, используемого сырья установки могут быть оснащены дополнительными узлами: пастеризаторами, охладителями, устройствами для компрессии пара и т.д.
Конструкции калоризаторов в выпарных установках разнообразны и могут быть выполнены в виде трубчатых и пластинчатых аппаратов.
В России в молочноконсервном производстве главным образом используются циркуляционные вакуум-выпарные установки «Виганд» (рис. 2), внедренные в производство в 1960-х годах. Производительность одно- и двухкорпусных установок циркуляционного типа «Виганд» по испаренной влаге колеблется от 500 до 8000 кг/ч. Исходный продукт направляется в подогреватели, где нагревается до температуры сгущения или необходимой температуры пастеризации исходного продукта, а затем поступает в калоризатор, где закипает, и далее часть продукта вместе с образовавшимся паром поступает в пароотделитель. Здесь пар отделяется от продукта, который по циркуляционной трубе возвращается в калоризатор, где вновь закипает, и цикл повторяется до достижения требуемого содержания сухих веществ в сгущенном продукте.
Основной недостаток данной установки состоит в длительности цикла сгущения – 1–1,5 ч при повышенных температурах, снижающих качество продукции, и повышенном расходе острого пара – не менее 0,4 кг/кг испаренной влаги против 0,2–0,22 кг/кг для современного оборудования [9].
В мировой практике наибольшее распространение получили вакуум-выпарные установки с падающей пленкой, оснащенные механической или термической компрессией вторичного пара. Аппараты появились около 40 лет назад и постепенно вытеснили выпарные установки с естественной и принудительной циркуляцией. Одно- и многокорпусные пленочные аппараты с нисходящей пленкой подразумевают однократный проход концентрируемого сырья через греющую поверхность, что существенно сокращает время пребывания сырья в вакуум-аппарате и способствует получению продукта высокого качества.
В пленочной установке (рис. 3) сырье подается в верхнюю часть трубки греющей камеры и стекает вниз по внутренней поверхности трубки в виде тонкой пленки, во время движения сырье нагревается и влага испаряется. При этом продолжительность сгущения молочного сырья составляет не более 3–5 мин. Качество продукта в результате повышается, уменьшается расход воды и греющего пара, исключается возможность пенообразования и потерь продукта [10].
Рисунок 3. Схема двухкорпусной вакуум-выпарной установки пленочного типа с термокомпрессией вторичного пара
В верхней части калоризатора над трубной решеткой установлено распределительное устройство для равномерного распределения продукта по трубам (рис. 4).
Рисунок 4. Конструкция распределительного устройства пленочной вакуум-выпарной установки [11]
Многопроходные секции и корпуса с рециркуляционной системой продукта позволяют адаптировать вакуум-выпарные установки к одновременному использованию различного вида молочного сырья: обезжиренного молока, молочной сыворотки, пермеата и т.д. [5].
Системы механической и термической компрессии пара наряду с многокорпусными установками можно рассматривать как одну из возможностей обеспечения высокой эффективности процесса сгущения. Основная цель использования компрессии – повышение давления вторичного пара до значений, позволяющих применять его в качестве греющего.
Установки с механической компрессией вторичного пара работают по принципу теплового насоса, используя турбокомпрессоры, одноступенчатые радиальные вентиляторы или высоконапорные вентиляторы в качестве агрегатов для сжатия вторичного пара. Такой тип оборудования требует незначительного количества острого пара при пуске, но система энергообеспечения установки должна предусматривать возможность пикового потребления электроэнергии [11].
В аппаратах с термической компрессией используется энергия свежего (острого) пара в паровых эжекторах, которые работают по принципу струйного насоса. В качестве «активного потока» в данном случае используется острый пар высокого давления (до 18 бар). Такие конструкции достаточно надежны за счет отсутствия движущихся частей и не требуют больших затрат на техническое обслуживание.
С учетом специфики вырабатываемой продукции вакуум-выпарные установки для молочного сырья могут включать теплообменное оборудование (поверхностное или контактное) для обеспечения требуемых микробиологических показателей путем пастеризации сырья перед подачей на сгущение.
На выходе из вакуум-выпарного аппарата температура продукта ниже температуры кипения при сгущении и обычно составляет 50–60 °С. При производстве сухого цельного и обезжиренного молока сгущенный продукт с такой температурой подается на сушильные установки. При изготовлении сухой сыворотки сгущенный продукт поступает на направленную кристаллизацию лактозы. Для достижения температуры кристаллизации 30–35 °С в выпарных установках пленочного типа предусматриваются охладители мгновенного действия (flash-cooler). Сгущенный продукт подается в камеру при пониженном давлении, создаваемом пароструйным насосом. Происходит мгновенное выпаривание влаги с одновременным охлаждением и подсгущением продукта [8].
Практически все типы современных выпарных установок могут эксплуатироваться в автоматическом режиме. Автоматизация систем управления выпарных установок позволяет осуществлять не только эффективный контроль за стабильностью технологических режимов и работой оборудования, но также архивировать и анализировать данные для их дальнейшей оптимизации [9]. В аппаратах с падающей пленкой используется меньший поток сгущаемого продукта, чем в циркуляционных, поэтому системы автоматизации пленочных установок быстрее реагируют на изменения основных параметров процесса [10].
Таким образом, для сгущения молочного сырья современные поставщики выпарного оборудования предлагают довольно широкий спектр оборудования, выбор которого должен опираться на анализ вида перерабатываемого сырья, конечного продукта, экономических возможностей предприятия и т.д.
Опыт показывает, что использование установок пленочного типа имеет целый ряд преимуществ перед установками циркуляционного типа:
снижение энергозатрат на выпаривание;
возможность использовать современные системы автоматизации;
мягкие условия процесса сгущения: низкие температурные воздействия на термолабильные компоненты молочного сырья (около 55 °С) и минимальное время воздействия на продукт; возможность получения сгущенного продукта с массовой долей сухих веществ до 62 %;
повышение качества готового сухого продукта;
конструкция выпарного аппарата позволяет снижать операционные затраты на кристаллизацию и сушку.
Сегодня ООО «ДМП» совместно с компанией «Вздухоторг» реализован целый ряд проектов по внедрению вакуум-выпарных аппаратов пленочного типа (рис. 5).
Рисунок 5. Трехкорпусная вакуум-выпарная установка пленочного типа для сгущения молочного сырья
Отечественные молокоперерабатывающие предприятия уже оценили их высокую экономическую и технологическую эффективность. Все реализуемые нами комплексные технологические линии оснащены ВВУ пленочного типа, что в совокупности с современным сушильным оборудованием позволяют предприятиям получать продукцию высокого качества с высокой рентабельностью.
4. Чекулаева, Л.В. Технология продуктов консервирования молока и молочного сырья [Текст]: учебное пособие для вузов / Л.В.Чекулаева, К.К.Полянский, Л.В.Голубева. – М.: ДеЛи принт, 2002. – 249 с.
5. Pisecky, J. Handbook of milk powder manufacture / J.Pisecky. – Niro A/S, Copenhaguen, Denmark, 1997.
9. Золоторева, М.С. Модернизация оборудования для производства сухих молочных консервов / М.С.Золоторева [и др.] // Переработка молока. 2018. № 7. C. 21–23.
10. Haasbroek, A. A comparison of control techniques for dairy falling film evaporators / A.Haasbroek, L.Auret, W.H.Steyn // Preprints of the 10th IFAC International Symposium on Dynamics and Control of Process Systems The International Federation of Automatic Control December, 18–20, 2013. Mumbai, India.
11. Munir, MTajammal. Modelling of a falling film evaporator for dairy processes [online] / MTajammal Munir [et al.] // In: Chemeca 2014: Processing excellence; Powering our future. Barton, ACT: Engineers Australia, 2014: [174]– [181]. Availability: ISBN: 9781922107381.
#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.
Сушка 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
_(18406931 476).jpg){kind=link}