Наш сайт использует файлы сookie. Продолжная пользоваться сайтом, вы соглашаетесь на использование нами ваших файлов сookie. Подробнее
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.
Внедрение мембранных технологий в процесс переработки молока в середине прошлого века произвело настоящую революцию в молочной промышленности, позволив как значительно усовершенствовать технологии выработки традиционных молочных продуктов, так и разработать широкую линейку ингредиентов на основе компонентов молочного сырья.
Термин «мембранная технология» принято использовать для обобщения процессов фракционирования и/ или концентрирования сырья с использованием полупроницаемых мембран. В зависимости от типа мембран (рис. 1) выделяют процессы обратного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации. Тип мембран является главным фактором, определяющим состав разбавленной фракции (пермеата), содержащей компоненты, способные проходить через мембрану, и концентрированной фракции (ретентата), включающей удерживаемые мембраной компоненты [1].
Рассмотрим использование процессов мембранного фракционирования применительно к технологии творога. В целом традиционный процесс производства творога можно условно разделить на три этапа (рис. 2). Первый – приемка и подготовка сырья к переработке, второй – получение и обработка сгустка и третий – подготовка готового продукта к реализации.
Из перечисленных выше мембранных процессов на первом этапе производства творога, главным образом, находят применение процессы ультрафильтрации и, в какой-то мере, микрофильтрации.
Процессы обратного осмоса и нанофильтрации обычно используются как альтернатива или дополнение к вакуумному выпариванию для снижения температурной нагрузки на сырье, экономии энергоносителей и т.д. В рамках традиционной технологии творога можно говорить о применении этих процессов для переработки творожной сыворотки, образующейся при обработке сгустка (рис.2) [1].
При концентрировании в установках обратного осмоса на мембранах с отсечкой по молекулярной массе, не превышающей 100 Да, в целевой фракции – ретентате – концентрируются практически все компоненты сухого вещества сырья (рис. 1). В пермеат или обратноосмотическую воду переходит лишь следовое количество минеральных веществ, поэтому он может использоваться в качестве технической воды на производстве. Нанофильтрационные мембраны за счет низкой селективности по отношению к одновалентным ионам концентрируют практически все компоненты сухого остатка молочного сырья, включая двухвалентные ионы. Одновалентные ионы и часть низкомолекулярных соединений переходят в пермеат. Поэтому ретентат, образующийся в результате мембранного концентрирования, представляет собой частично деминерализованную творожную сыворотку с массовой долей сухих веществ 18 – 22%, которая идет на дальнейшую переработку.
В процессе микрофильтрационной обработки сырья отделяются частицы размером от 0,1 до 10 мкм. В технологиях традиционных продуктов, в том числе творога, микрофильтрация с номинальным размером пор 0,8–1,4 мкм может использоваться для удаления бактериальных клеток (0,4–2,0 мкм) и спор из обезжиренного молока перед последующей обработкой. При этом в ретентате, концентрируется также жировая фракция и взвешенные частицы. Остальные компоненты сырья переходят в пермеат. Микрофильтрация считается одним из наиболее эффективных методов снижения бактериальной обсемененности сырья и позволяет удалять свыше 99% вегетативных и споровых форм микроорганизмов [2].
Процессы ультрафильтрации могут включаться в традиционную технологию творога как на первом, так и втором этапах производства. На первом этапе традиционной технологии творога ультрафильтрационная обработка может использоваться для стандартизации обезжиренного молока по массовой доле белка (рис. 2). Повышение содержания белка в среднем в 1,25 раза за счет ультрафильтрационного фракционирования с использованием мембран с отсечкой по молекулярной массе 10 кДа способствует увеличению выхода готового продукта, повышению эффективности работы оборудования творожной линии и т.д. [3].
На втором этапе процесс ультрафильтрации может использоваться для отделения сыворотки от творожного сгустка при производстве творога раздельным способом [3]: пастеризованное обезжиренное молоко предварительно сквашивается до pH (4,6–4,8), сгусток направляется на тепловую обработку (термизацию), а затем в ультрафильтрационную установку (рис. 2). Процесс проходит на мембранах с отсечкой по молекулярной массе 10 — 20 кДа. При этом достигается максимальный переход белков, в том числе сывороточных, в продукт, что увеличивает выход творога. Полученный творог с гладкой, пастообразной консистенцией направляется либо на фасовку, либо используется для выработки других творожных изделий.
При ультрафильтрации молока и творожного сгустка в результате мембранного фракционирования в пермеат переходит часть низкомолекулярных веществ: лактоза, минеральные соединения, небелковый азот, водорастворимые витамины. Разумеется, творожный пермеат по составу отличается от пермеата обезжиренного молока за счет образующихся в процессе сквашивания молока метаболитов молочнокислых микроорганизмов, включая органические кислоты. Тем не менее, как показывает опыт ООО «ДМП», мембранные технологии позволяют использовать оба вида сырья для производства сухого пермеата распылительной сушки [4].
Еще один аспект применения мембранных процессов в технологии творога и творожных изделий связан с включением в их рецептуры продуктов мембранной переработки молочного сырья с целью улучшения пищевой ценности и потребительских характеристик [5]. Наряду с большим количеством функциональных добавок немолочного происхождения одним из перспективных направлений является использование концентратов сывороточных белков (КСБ), вырабатываемых из молочной сыворотки путем мембранного фракционирования, т.е. фактически возврат фракции сывороточных белков в цикл переработки молока-сырья. Однако использование непосредственно концентратов сывороточных белков может оказывать негативное влияние на органолептические характеристики продуктов, за счет придания, так называемого «сывороточного» привкуса. Кроме того, часть белков концентрата будет вновь переходить в сыворотку и теряться при обработке сгустка.
В тоже время, концентраты сывороточных белков могут являться сырьем для производства микропартикулированных белков (МПБ), которые, в последнее время, набирают популярность как «имитаторы жира» при производстве низкожирных продуктов. В основе процесса микропартикуляции сывороточных белков лежит термомеханическая обработка КСБ с массовой долей белка в сухом веществе 55–80% в диапазоне температур, превышающих барьеры тепловой денатурации основных фракций сывороточных белков в условиях сильного механического воздействия. В результате чего происходит денатурация и агрегация белковых частиц с формированием сферических агломератов размером от 1 до 10 мкм (рис. 3) [6]. Находясь в денатурированном состоянии и имея на поверхности гидрофильные и гидрофобные участки, частицы белка становятся более стабильными и могут выполнять функции дисперсной фазы в любых системах независимо от значений рН и температуры. Иными словами, процесс микропартикуляции сывороточных белков позволяет получить микрочастицы правильной сферической формы, которые в пищевых системах будут выступать, как эмульгированные жировые шарики, придавая продуктам сливочный вкус и эластичную текстуру. Помимо этого, в результате денатурации и агрегации белков происходит усиление белизны и непрозрачности их растворов.
Рaзмер пoлученных aглoмерaтoв oкaзывaет влияние нa вoсприятие текстуры прoдуктoв питaния. Так, например, для придания сливочного вкуса размеры частиц должны находиться в пределах 0,1 – 0,3 мкм [5]. Технически процесс осуществляется следующим образом. Обезжиренная пастеризованная охлажденная подсырная сыворотка фракционируется методом ультрафильтрации [1], высокобелковая фракция — ретентат, подается в установку микропартикуляции (рис.4), нагревается до температуры обработки и поступает непосредственно в контур микропартикуляции, где проходит тепломеханическая обработка сырья. Концентрат, содержащий микропартикулированные сывороточные белки, поступает в секции охлаждения и доохлаждения и резервируется. В жидком виде концентрат МПБ может использоваться для выработки йогуртов, дессертов, мороженого и других продуктов, либо направляться на линию сушки. Первый вариант, исключающий необходимость организации участка сушки МПБ, может быть интересен при организации переработки небольших объемов сыворотки.
В традиционной технологии применение МПБ наиболее целесообразно при выработке низкожирного творога и творожных изделий (рис.2). Использование МПБ на первом этапе (рис.2) при подготовке сырья к заквашиванию позволяет скорректировать состав молока-сырья, увеличивая массовую долю белка в СОМО и массовую долю сухих веществ в целом. После внесения МПБ в сухом или жидком виде сырье гомогенизируется, пастеризуется, охлаждается до температуры заквашивания. Дальнейший процесс не отличается от традиционного производства творога. Можно отметить особую роль МПБ в случае выработки творога кислотным способом. Пространственная структура сгустков кислотной коагуляции белков менее прочная, поскольку формируется слабыми связями между мелкими частицами казеина и хуже выделяет сыворотку. Встраивание частиц микропартикулированного белка в структуру казеиновой матрицы влияет на консистенцию и реологические характеристики белкового сгустка за счет наличия гидрофильных участков молекул сывороточных белков и перекрывания микрокапилляров белкового матрикса. Они также участвуют в формировании казеинового сгустка и выполняют ту же роль, что и жировые шарики в традиционных продуктах. Благодаря этому внесение МПБ дает возможность получать достаточно прочный кисломолочный сгусток без значительного отстаивания сыворотки и увеличивает выход продукта до 10%. При этом низкожирный творог имеет нежную консистенцию, приятный мягкий сливочный вкус и более высокое содержание сывороточных белков по сравнению с традиционным продуктом.
Таким образом, интеграция мембранных процессов в технологию производства творога открывает новые возможности как для интенсификации производства одного из наиболее популярных на российском рынке белковых продуктов, так и для переработки вторичных молочных ресурсов на принципах максимального использования молочного сырья. Основываясь на многолетнем опыте, специалисты ООО «ДМП», осуществляют не только поставку мембранного оборудования, оборудования микропартикуляции, но и подбирают оптимальные, экономически целесообразные технологические решения для производства традиционных молочных продуктов или организации производства ингредиентов на основе компонентов молочного сырья.
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.
Рентабельность производства молочной продукции определяется многими параметрами, основным из которых является стоимость сырья, необходимого для выработки того или иного продукта. Поэтому технические решения, позволяющие максимально повысить использование компонентов молочного сырья всегда являются предметом особого внимания специалистов молочной отрасли. В первую очередь это касается производства продуктов с высокими нормами расхода сырья, которыми являются, в частности, и творожные сыры.
Можно выделить основные факторы, влияющие на выход, а следовательно, и эффективность производства этих продуктов: качество и состав сырья, и технологические приемы его обработки [1].
Рассматривая влияние качества и состава, сырья можно отметить, что практически каждый компонент молока напрямую или опосредовано влияет на выход готового продукта [1]. Наибольшее влияние на выход оказывает, безусловно, белковая фракция – чем выше содержание белка, главным образом, казеина, тем больше продукта может быть произведено с единицы сырья. Но специфика белков молока такова, что и жировая, и минеральная фракции также играют немаловажную роль. Например, использование «сычужно вялого» молока с недостатком ионов Са2+ приводит к образованию дряблого сгустка с плохим синерезисом, при обработке которого увеличиваются потери белка с казеиновой пылью. Увеличение содержания жира в молоке замедляет синерезис и в какой-то мере увеличивает способность сырного зерна к удержанию влаги, за счет чего выход готового продукта может увеличиваться.
Технологические приемы обработки сырья при выработке творожных сыров направлены, как на получение безопасного и качественного продукта, так и на максимальное удержание компонентов молока в готовом продукте. Конечно, выход продукта может быть увеличен, например за счет повышения дозы внесения поваренной соли или, например, использования режимов, повышающих влагу в готовом продукте. Но это может привести к снижению качества, с одной стороны. С другой стороны, в пределах сыров одного вида границы колебания максимального количества влаги и соли довольно ограничены [2].
Творожные сыры, согласно ГОСТ 33480-2015, вырабатываются по технологии мягких сыров без созревания, либо творога [2]. Их отличительной особенностью является специфическая консистенция, от мягкой, нежной, пластичной и мажущейся, до плотной однородной по всей массе. В зависимости от дополнительной обработки творожный сыр может производиться также в виде продукта, подвергнутого термической обработке, взбитого; аэрированного, с пищевкусовыми добавками и т.д. Содержание жира в творожном сыре колеблется от 4 до 80 %. Как правило, сыры с высокой жирностью имеют мажущуюся кремообразную консистенцию, поэтому их принято называть сливочными сырами, по аналогии с зарубежными названиями «cream cheese» или более жирный продукт «double cream cheese» [3]. Можно отметить, что еще одно зарубежное классификационное название творожных сыров типа фета – «white cheese» — белый сыр — используется значительно реже.
Укрупненно процесс производства творожных сыров может быть представлен следующими операциями: приемка молочного сырья (молоко цельное, обезжиренное, сливки и др.);, подготовка к свертыванию: нормализация и тепловая обработка;, свертывание молока и образование сгустка;, обработка сгустка и отделение сыворотки;, финишные операции — фасовка, упаковка, хранение до реализации.
Нормализация сырья по составу или, другими словами, корректировка соотношения белок/жир является начальным этапом, на котором может быть увеличен выход продукта. Однако, если содержание молочного жира можно регулировать путем сепарирования, то манипулировать содержанием белка в молоке уже сложнее. Можно добавлять сухие белковые концентраты, содержащие казеин, либо включать в линии мембранную фильтрацию, которая позволяет не только концентрировать белковую фракцию в целом, но и изменять соотношение казеина и сывороточных белков в сырье [4, 5].
Режимы и приемы тепловой обработки зависят от вида вырабатываемых сыров и могут включать операции термизации, пастеризации и охлаждения до температуры внесения закваски мезофильных молочнокислых микроорганизмов, при кислотном способе, и сычужного фермента, и заквасочных культур, при кислотно-сычужном способе формирования сгустка.
Обработка сгустка заключается в удалении сыворотки из сырного зерна до требуемого уровня влажности готового продукта путем самопрессования и прессования [3]. При обезвоживании сгустков, полученных из нежирного сырья, применяются также сепараторы-творогоотделители, при необходимости нормализация по массовой доле жира проводится пастеризованными сливками. При производстве творожных сыров с кремообразной консистенцией, сгусток, обезвоженный методами прессования, подвергается механической обработке, иногда с внесением дополнительных компонентов, сливок, наполнителей и т.д.
Сыворотка, образующаяся и при прессовании, и при сепарировании, составляет 65 — 70% объема сырья и содержит его водорастворимые компоненты (лактозу, минеральные вещества и т.д.), казеиновую пыль, остаточный молочный жир и сывороточные белки. Именно поэтому способ и условия обработки сгустка также будет влиять на выход продукта. Например, сепарирование, по сравнению с прессованием, значительно сокращает уход казеиновой пыли в сыворотку, но все-равно позволяет сохранить в продукте только 50 -70% от общего содержания белка.
Максимальное сокращение потерь сухих веществ сырья на этапе отделения сыворотки стало возможным после внедрения в 80-х годах прошлого века мембранного разделения сгустка. Процесс основан на фракционировании входящего потока за счет разности молекулярных масс с использованием полупроницаемых мембран. Движущей силой процесса является давление, которое «продавливает» сквозь мембрану компоненты с размером меньшим, чем поры мембран, формируя низкоконцентрированный поток – пермеат. При разделении кислотного или сычужно-кислотного сгустка, в пермеат переходят низкомолекулярные компоненты, в том числе небелковый азот, лактоза, минеральные вещества, низкомолекулярные пептиды и другие небелковые азотистые соединения. В концентрированной фракции остается более 90% белков (казеин и сывороточные белки) и более 80% сухих веществ разделяемого сырья. Удержание в процессе ультрафильтрации сывороточных белков, включающих оптимальный набор жизненно необходимых для организма аминокислот, с одной стороны повышает пищевую ценность продукта, а с другой, будет повышать выход продукта с единицы сырья. Полученная концентрированная фракция (ретентат) с массовой долей сухих веществ 20 — 40% имеет мягкую пастообразную консистенцию, и фактически является готовым продуктом, который проходит финишную обработку и направляется на фасовку.
Внедрение ультрафильтрационной обработки сгустка привело к ряду модификаций традиционного процесса выработки творожных сыров. Рассматривая, например, технологию творожного сыра сливочного (см. рис.), можно отметить, что используются высокотемпературные режимы пастеризации, которые приводят к денатурации и осаждению сывороточных белков на мицеллах казеина, что способствует более полному удержанию белка при ультрафильтрации сгустка и, следовательно, увеличению выхода готового продукта.
Заквашивание и сквашивание нормализованной смеси проводится аналогично традиционной технологии с использованием Lactococcus lactis subspecies cremoris, Lactococcus lactis subspecies lactis, Leuconostoc mesenterioides subspecies cremoris, Lactococcus lactis subspecies lactis biovariant diacetylactis. Однако культуры должны иметь низкий уровень газообразования. Готовый сгусток перемешивается, выдерживается при 55 – 60 оС, охлаждается до 45-55 °C и направляется на отделение сыворотки. Процесс проходит при температуре 45 – 55 оС на ультрафильтрационных модулях со спиральными полимерными мембранами, которые могут дополнятся при необходимости плоскорамными модулями. После отделения сыворотки, продукт пастеризуется в скребковом теплообменнике, гомогенизируется, при необходимости смешивается с фруктовыми или овощными добавками. Если не требуется производить продукт с длительным сроком годности, операцию пастеризации концентрированного сгустка можно исключить. Готовый продукт, творожный сыр сливочный, имеет однородную кремообразную консистенцию, чистый кисломолочный вкус с тонким сливочным послевкусием. При этом (см. рис) переход сухих веществ сгустка в продукт для данного вида сыра составляет 82%, а для более жирных сыров (см. табл.) этот показатель может быть и выше 90%.
| Содержание основных компонентов | Сыр типа филадельфия | Сыр типа маскарпоне | ||
| Сквашенная смесь | Ретентат | Сквашенная смесь | Ретентат | |
| Массовая доля общего белка, % | 2,82 | 4,22 | 2,77 | 6,23 |
| Массовая доля жира, % | 16,38 | 25,00 | 17,93 | 41,60 |
| Массовая доля сухих веществ, % | 23,93 | 33,70 | 25,34 | 52,00 |
| Массовая доля жира в сухом веществе, % | 68,4 | 74,2 | 70,8 | 78,8 |
| Масса, кг | 1000 | 665 | 1000 | 430,5 |
ООО «ДМП» имеет многолетний положительный опыт внедрения мембранных технологий на нескольких десятках молочных предприятий, в том числе установки ультрафильтрационной обработки сгустка в линии творожных сыров. Это дает возможность предлагать комплексные решения, включающие как полные линии выработки творожных сыров с использованием мембранных технологий, так и оборудование для переработки низкоконцентрированной фракции – пермеата до сухих продуктов, востребованных на рынке. Предлагаемые технологические решения позволяют не только эффективно оптимизировать переработку молочного сырья, но и значительно повысить рентабельность производимой продукции.
Подобные продукты пользуются спросом у широкого круга потребителей, а использование ультрафильтрации сгустка делают творожные сыры одними из инвестиционно-привлекательных на молочном рынке.
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].
| 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.
| Показатель | Молоко козье цельное сухое, medium heat (CBM, Нидерланды) | Молоко козье обезжиренное сухое (CBM, Нидерланды)* |
| Массовая доля белка в СВ, % | 26,0* | 38,0* |
| Массовая доля жира, % | 31,0* | 1,5* |
| Массовая доля лактозы, % | 35,0* | 46,0* |
| Массовая доля золы, % | 6,0* | 9,0* |
| Массовая доля влаги, %, не более | 5,0 | 5,0 |
| Индекс растворимости, мл, не менее | 0,1 | 0,1 |
| КМАФАнМ, КОЕ/г, не более | 10000 | 10000 |
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.
1. Ullrey, D.E., Baer, C.K., & Pond, W.G. (Eds.). (2011). Encyclopedia of Animal Science — (Two-Volume Set) (2nd ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1081/E-EAS
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
March 30, 2022 06:08 ET | Source: Research and Markets, https://www.globenewswire.com/en/news-release/2022/03/30/2412630/28124/en/The-Worldwide-Goat-Milk-Products-Industry-is-Anticipated-to-Reach-17-9-Billion-by-2030.html
8. Современное оборудование для сгущения молочного сырья / Д. Н. Володин [и др.] // Молочная промышленность : научно-технич. и производств. журнал. — 2018. — N 10. — С. 11-13 . — ISSN 1019-8946
С точки зрения промышленной переработки молочная сыворотка прошла довольно долгий путь от побочного продукта, необходимость в утилизации которого была вызвана только нормативными ограничениями сброса органических отходов, до ценного сырья для производства высокорентабельных функциональных ингредиентов. Соответственно менялись как технологические приемы переработки сыворотки, так и оборудование, использующееся для их реализации. 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.
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).
| 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).
| 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).
| 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.
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.
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.
3. Source: Research and Markets // Insights on the Whey Protein Global Market to 2027 – by Type, Application and Region. – February 24, 2022. – URL: https://www. globenewswire.com/en/news-relea se/2022/02/24/2391441/28124/en/Insightson-the-Whey-Protein-Global-Market-to2027-by-Type-Application-and-Region.html
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.
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).
| 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].
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.
Несмотря на огромное разнообразие сыров, вырабатываемых в мире сегодня, цикл их производства включает ряд базовых технологических операций (рис. 1).
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).
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.
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.
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.
2. Евдокимов, И.А. Обработка молочного сырья мембранными методами / И.А.Евдокимов [и др.] // Молочная промышленность. 2012. № 2. С. 34–37.
3. Micellar Casein Concentrate. 2015 U.S. Dairy Export Council | WW017E. Режим доступа: USA dairy.org/products/milk-proteins.
4. Kimberlee, K.J. Burrington. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities. Режим доступа: https://www.usdairy.com/~/media/usd/public/tecnicalreportmilkfraction ationtechnologypdf.pdf.
5. Patent WO 2013/068653 A2, 16.05.2013. Method for producing a milk product // World International Property № 068653, A2 2013, 16.05.2013 / Tikanmäki R., Harju M.E., Tossavainen O.
6. Patent WO 00/30461, 02.06.2000. Method for preparing a protein composition and an infant formula containing same // World International Mп Property № 00/30461, 02.06.2000 / Jost R., ec.
#сушка молока #сушка сыворотки #сушка обрата #сушка белковых продуктов #сушка в виброкипящем слое #сушильные установки
Спрос на продукты с повышенным содержанием белка растет во всем мире, и, по мнению экспертов, сегодня это одна из основных тенденций на мировом рынке пищевых продуктов и напитков [1]. Согласно данным [2, 3], европейский рынок сывороточных белков в 2017 г. составил более 2200 млн долл. Причем мировые аналитические агентства прогнозируют дальнейший ежегодный прирост рынка приблизительно на 7,5 % в течение последующих 5 лет. Основной драйвер рынка сывороточных белков в Европе – это хорошо сформированная культура употребления продуктов спортивного питания и функциональных напитков. Наиболее развитыми региональными европейскими рынками, по мнению [2], являются рынки Испании и Италии, которым присущи черты «зрелого рынка» из-за масштабного производства подсырной сыворотки, особенно в Испании. Германия и Франция в 2017 г. столкнулись с резким спадом спроса на сывороточные белки из-за растущего рынка продуктов, альтернативных молочным, которые особенно популярны среди потребителей, страдающих непереносимостью лактозы.
Особенностью России, напротив, является популяризация функциональных молочных напитков и спортивного питания, что вполне прогнозируемо делает российский рынок сывороточных белков самым быстрорастущим в Европе – с 9%-ным средним уровнем годового роста в 2018– 2023 гг. [4]. Поэтому вполне объясним интерес предприятий отрасли к производству рентабельного продукта, пользующегося спросом на рынке, который одновременно обеспечит более полное использование белков молока и получение прибыли. Однако невозможно рассматривать технологию концентрата сывороточных белков (КСБ) изолированно, без учета основных принципов комплексной переработки молочного сырья [5]. Необходимо проектировать комплекс технологий, обладающих определенной гибкостью и многовариантностью технологических решений, который позволяет обосновать производство продуктов устойчивого сбыта.
Главным технологическим приемом при производстве КСБ является баромембранное разделение молочной сыворотки методом ультрафильтрации на два потока: концентрат (ретентат) и фильтрат (пермеат). Если основным компонентом ретентата является сывороточный белок, то основным компонентом перемеата – лактоза, содержание которой составляет более 90 % от массы сухого остатка пермеата. Поэтому валоризация этого продукта чаще всего связана с организацией производства молочного сахара различных категорий качества (пищевой, рафинированной, технической, фармакопейной) [6, 7].
Процесс выработки молочного сахара высокотехнологичный и требует от предприятия значительных затрат энергетических и кадровых ресурсов не только на основное производство, но и на переработку вторичных продуктов – мелассы, промывных вод и т.д. Поэтому организация производства молочного сахара/лактозы оправдана экономически только при наличии высокого рыночного потенциала и значительных объемов перерабатываемого сырья.
Пермеат распылительной сушки может быть интересной альтернативой молочному сахару, поскольку из процесса переработки исключается ряд технологических операций и побочных потоков (рис. 1).
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.
| 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].
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
5. Переработка молочной сыворотки: понятная стратегия, реальные технологии, адекватные инвестиции, востребованные продукты / Д.Н. Володин, М.С. Золоторёва, В.К. Топалов, И.А. Евдокимов, А.Г. Храмцов, П. Мертин // Молочная промышленность. – 2015. – № 5. – С. 111–116.
6. ГОСТ 33567-2015. Сахар молочный. Технические условия.
7. Lactose Product Bulletins. – URL: http:// www.hilmaringredients.com/products/lactose_ product_bulletins/
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
