Мембранные методы переработки молочной сыворотки
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 05.08.2015 2015-08-05
Статья просмотрена: 2102 раза
Библиографическое описание:
Огнева, О. А. Мембранные методы переработки молочной сыворотки / О. А. Огнева, Л. В. Пономаренко, М. П. Коваленко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 15 (95). — С. 140-144. — URL: https://moluch.ru/archive/95/21492/ (дата обращения: 18.11.2021).
При переработке молока на сыр, творог и казеин побочным продуктом при их получении является сыворотка, выход которой составляет 80 % от количества перерабатываемого молока. Это значит, что при производстве 1 кг сыра получаем 8 кг сыворотки, представляющей собой ценнейшее лактозосодержащее молочное сырье [3; 5; 9; 11; 15; 19; 22; 24; 26; 27; 30; 35; 36].
В последние годы молочная сыворотка находит широкое применение в производстве продуктов питания и является ценным пищевым сырьем. В ней содержится более 200 жизненно важных питательных и биологически активных веществ. Сыворотка может служить хорошей основой для создания функциональных продуктов нового поколения: состав сыворотки позволяет создавать продукт с высокой пищевой и биологической ценностью; она технологична в переработке, что облегчает получение разных типов продуктов; ее вкус хорошо сочетается со вкусом вводимых компонентов и его можно регулировать в желаемом направлении [6; 13; 16; 18; 21; 23; 25; 32; 33; 34; 40; 42].
Высокую биологическую ценность сыворотки обуславливают белковые вещества, а также витамины, гормоны, органические кислоты, иммунные тела и микроэлементы. При выработке белковых продуктов в молочную сыворотку переходит 50 % сухих веществ молока, в основном это биологически ценные белки, характеризующиеся оптимальным набором и сбалансированностью жизненно необходимых (незаменимых) аминокислот, что обеспечивает регенерацию белков печени, образование гемоглобина и белков плазмы крови. В сыворотку переходит практически весь молочный сахар (более 70 %), все соли и микроэлементы (30 % кальция, 50 % фосфора, 90 % натрия и калия, 70 % магния, 80 % хлора), почти все водорастворимые витамины молока, а также в сыворотке содержатся витамины С, никотиновая кислота, холин, витамины А, Е и биотин. Эти компоненты составляют ровно половину всего цельного молока и поэтому сыворотку называют «полумолоко». Кроме всего, сыворотка является относительно дешевым сырьем [1; 2; 4; 7; 8; 10; 31; 37; 38; 41; 44].
Несмотря на высокую биологическую ценность, значительная часть сыворотки (80 %) до недавнего времени не перерабатывалась и только в последние годы большинство европейских производителей молочных продуктов изменили свое отношение к молочной сыворотке, и вопрос ее переработки стал в настоящее время весьма актуален.
Комплексная переработка сыворотки преследует две цели — получение сухого концентрированного сывороточного белка (КСБ) и сухого молочного сахара (лактозы) с помощью наиболее перспективных и широко распространенных в настоящее время за рубежом мембранных методов.
К мембранным методам разделения жидкостей относятся микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос. Процессы осуществляются на мембранных установках, где основными рабочими элементами являются специальные полупроницаемые мембраны с различными размерами пор, пропускающими или задерживающими те или иные компоненты сыворотки в зависимости от цели получаемого продукта [12; 14; 17; 20; 28; 29; 39; 43].
Очищенная от казеиновых частиц и жира сыворотка представляет собой чистый раствор водорастворимых сывороточных белков (альбумина и глобулина) и молочного сахара (лактозы). На первом этапе переработки сыворотку пропускают через нанофильтрационную мембранную установку, где происходит концентрирование сухих веществ до 20 %, так называемое «холодное» сгущение. Результаты экспериментальной обработки сыворотки на пилотной NF-установке показаны в балансе сырья (таблица 1).
Источник
Перспективные направления переработки молочной сыворотки
Качественное функционирование молочной промышленности России требует повышения эффективности производства. И, в первую очередь, это касается ресурсосбережения, т.к. затраты на сырье составляют 80 % себестоимости молочных продуктов. Проблема дефицита сырья может быть решена за счет использования молочной сыворотки, ресурсы которой в Российской Федерации составляют около 5 млн. т в год.
Молочная сыворотка – это половина молока, в нее переходит 50 % сухих веществ, в т.ч. 20 % белков, 95 % лактозы, 80 % минеральных веществ и 10 % молочного жира. Она обладает высокой пищевой и биологической ценностью. По теоретическим расчетам это более 20 тыс. т молочного жира, 225 тыс. т лактозы, 30 тыс. т белковых и 35 тыс. т минеральных веществ.
Не следует сбрасывать со счетов и экологический аспект: 1 т молочной сыворотки, сливаемой в канализацию, загрязняет водоемы так же, как 100 м3 хозяйственно-бытовых стоков. Экологизация молочного производства является составной частью концепции устойчивого развития предприятий, разрабатываемой в последние годы. Она предполагает экологически ориентированное техническое и технологическое развитие молочной промышленности, где, по-прежнему, нет четкого и полного осознания необходимости экологизации производства. Социальные и экологические проблемы отодвинуты на второй план. Проявляется свойство современного техногенного мышления – ориентация на получение быстрых результатов. А общий эколого-экономический ущерб оказывается несоизмеримо выше краткосрочных выгод.
Объемы сточных вод на предприятиях молочной отрасли неуклонно возрастают. Следует отметить, что большинство предприятий не имеет собственных очистных сооружений и сточные воды сбрасываются в городской коллектор, не подвергаясь очистке. Качественный анализ сточных вод предприятий позволяет сделать вывод, что количество токсичных минеральных веществ и органических соединений в среднем в десятки раз превышает ПДК для водных объектов. Степень загрязненности сточных вод при сбросе их на централизованные сооружения населенных пунктов определяют и затраты, связанные с их очисткой до показателей, регламентируемых ПДК.
Достаточно привести такой пример: сыродельный завод средней мощности, не имеющий собственных очистных сооружений и сбрасывающий в городской коллектор 140 тыс. м3 сточных вод в год, оплачивает услуги по их очистке в размере 1,1 млн. руб. Поиск компромисса между оплатой услуг по очистке сточных вод на общегородских очистных сооружениях или организацией системы их очистки непосредственно на предприятии и является одной из основных экологических задач руководства предприятия. Развитие эколого-ориентированных технологий позволяет существенно изменить экологическую ситуацию в отрасли, улучшить охрану окружающей среды и более эффективно использовать ценные вторичные ресурсы (особенно молочную сыворотку).
Переработка молочной сыворотки в России, несмотря на многочисленные разработки в этой области, сдерживается по нескольким причинам. Среди них: незначительные инвестиции в молочную промышленность, отсутствие средств на внедрение современных технологий и закупку оборудования, недостаточная информация о преимуществах продуктов из сыворотки в рекламе здорового образа жизни, отсутствие массового производства многофункциональных продуктов на основе молочной сыворотки, либерализм экологической службы в отношении сброса сыворотки в сточные воды.
Основными видами продукции, вырабатываемой из молочной сыворотки в Российской Федерации, являются сухая сыворотка и концентраты на ее основе в сухом виде, что соответствует общемировым тенденциям. Выработка сухой молочной сыворотки увеличивается в России ежегодно. Так, в 2013 г. ее произведено 71,138 тыс. т, а в 2014 г. – 92,504 тыс. т (прирост 130 %).
Сухая сыворотка широко используется в производстве молочных продуктов, мороженого, майонеза, макаронных изделий, ЗЦМ, в хлебопекарной, кондитерской промышленности. В развитых молочных державах считается, что организация сушки молочной сыворотки (даже при высоком уровне стоимости энергоносителей) гораздо выгоднее, чем экологические штрафы за слив молочной сыворотки без обработки в водоемы. Кроме того, это направление дает возможность полного использования сухих веществ сыворотки и рассматривается как одно из наиболее перспективных, т.к. позволяет перерабатывать сыворотку в долгосохраняемые, транспортабельные, обладающие высокой питательной и биологической ценностью концентраты.
В течение последних лет выявлена тенденция роста объемов производства напитков на основе молочной сыворотки. Их производство не требует больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат, удельный вес которых в себестоимости продукции непрерывно растет. Это дает основание для оптимистических прогнозов о дальнейшем развитии данного направления переработки молочной сыворотки.
Исследования в области производства напитков из сыворотки в настоящий момент направлены на расширение их ассортимента. Разнообразие напитков обусловлено разными технологическими решениями проведения специальных операций и рецептурой. Производство напитков на основе молочной сыворотки выгодно предприятиям еще и сезонным совпадением пиков ресурсов сырья и спроса на продукт, что в условиях коэффициента сезонности является немаловажным фактором.
Раздельное использование компонентов сыворотки позволяет получить: молочный жир в виде так называемых «подсырных сливок», которые используются в сыроделии и маслоделии; сывороточные белки – наиболее ценный компонент молочной сыворотки, содержащий все незаменимые аминокислоты.
Перспективным является выделение сывороточных белков в неденатурированном состоянии методом ультрафильтрации. Такие белки максимально сохраняют свои ценные свойства и сфера их использования может быть значительно расширена за счет использования в составе диетических, детских, лечебно-профилактических продуктов и продуктов специального назначения. Этот метод выделения сывороточных белков широко используется за рубежом, а в России пока не нашел достойного применения.
Традиционным способом выделения сывороточных белков является тепловая коагуляция. Получаемый при этом альбумин обладает достаточной пищевой и биологической ценностью, по содержанию аминокислот практически не отличается от творога, а по содержанию цистеина даже превосходит его. Альбумин используется в составе альбуминных паст, творожных масс, белковых десертов, в производстве сычужных и плавленых сыров, мясных изделий.
Молочный сахар – лактоза является главным компонентом в составе сухих веществ сыворотки. В России его производится менее 1 тыс. т. Утверждение, что это очень энергоемкий процесс и его производство невыгодно, несколько противоречит европейским понятиям. Например, более 50 лет существует частная фирма Meggle (Германия), которая в центре Европы производит лактозу разных видов. Причем объемы собственной сыворотки составляют только 0,5 млн. т в год, а привозной – 4,5 млн. т в год. В перспективе в Российской Федерации необходимо возродить производство молочного сахара высоких кондиций – рафинированного и фармакопейного с целью полного исключения импорта.
Среди биологических методов переработки сыворотки наибольшим потенциалом обладает ферментативный гидролиз дисахарида лактозы до моносахаров глюкозы и галактозы. Этот метод нашел широкое промышленное применение в различных отраслях производства в ряде зарубежных стран (США, Франция, Финляндия, Австралия). Определенный интерес представляет ферментативный гидролиз сывороточных белков, наиболее богатых аминокислотами. Белковые гидролизаты также могут найти практическое применение в различных областях производства.
Одним из перспективных направлений, расширяющих сферу использования сыворотки, является сквашивание ее различными видами молочнокислых микроорганизмов. При культивировании полезных микроорганизмов в сыворотке, являющейся для них хорошей питательной средой, она в значительной степени обогащается ценными продуктами метаболизма, такими как органические кислоты, ферменты, иммунные тела, витамины и др. биологически активные вещества. Присутствие в продукте полезной микрофлоры, находящейся в фазе активной жизнедеятельности, позволяет также использовать его для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний, подавлять развитие нежелательной микрофлоры в других микробиальных процессах.
Путем биологической конверсии компонентов молочной сыворотки и, в первую очередь, лактозы, возможно достаточно дешевым способом получение таких ценных производных как лактулоза, лактитол, лактобионовая кислота, лактаты калия, натрия, кальция, органические кислоты (молочная и уксусная), витамины, этиловый спирт, биогаз и др. Исследования в этом направлении перспективны и их успешное завершение позволит разработать ряд новых эффективных технологий.
Интерес к молочной сыворотке во всем мире продолжает расти. В первую очередь это касается технологий глубокой переработки молочной сыворотки, которые позволяют получать продукты, подобные лекарственным препаратам. Большое значение во всем мире придается маркетинговым исследованиям рынка сбыта, улучшению рекламы сыворотки и разнообразных продуктов на ее основе. Реклама осуществляется путем издания брошюр, выпуска видеофильмов, академических докладов, заметок в журналах для потребителей под названием типа: «знаете ли Вы, что сыворотка. », организации семинаров для работников молочной и пищевой промышленности и т.д. Достижение положительного отношения к сыворотке является движущей силой для интенсификации ее переработки.
Резюмируя изложенное выше, следует подчеркнуть, что только при комплексной промышленной переработке молочной сыворотки возможно решение проблемы рационального ее использования, о чем свидетельствует как мировой, так и передовой отечественный опыт. Это позволит: увеличить ресурсы биологически полноценных пищевых продуктов, в полной мере отвечающих тезису «Пища – лекарство»; повысить экономические показатели производства в целом за счет реализации дополнительной товарной продукции при переработке единицы массы заготовляемого молока; исключить загрязнение окружающей среды компонентами молока.
Источник
Направления переработки молочной сыворотки
Известно, что при производстве таких молочных продуктов как сыр и творог после отделения казеина и жира в молочной сыворотке остается около 50% сухих веществ молока. Это обстоятельство постоянно стимулировало поиск эффективных методов переработки молочной сыворотки на пищевые цели. Препят твующим фактором служили низкая концентрация сухих веществ в сыворотке и их высокая относительная зольность.
Промышленная переработка молочной сыворотки в настоящее время осуществляется по трем основным направлениям: комплексно использование всего сухого остатка; извлечение и глубокое фракционирование отдельных наиболее ценных компонентов; направленная химическая, ферментативная или биологическая трансформация отдельных компонентов, с целью получения промышленно важных производных. Полное использование всего сухого остатка молочной сыворотки возможно при производстве напитков, сгущенных и сухих продуктов. Сгущение и сушка позволяют сгладить сезонность переработки молочной сыворотки, сократить затраты на транспортировку сывороточных концентратов.
Концентрирование молочной сыворотки может осуществляться вакуум-выпариванием (удаление части воды путем перевода в парообразное состояние). При этом способе можно сгущать сыворотку до различной массовой доли сухих веществ (Мд СВ 13-60%) в зависимости от дальнейшего предназначения сыворотки. По сравнению с вакуум-выпариванием более целесообразным с точки зрения энергетических затрат и сохранен якачественных показателей продукта является криоконцентрирование (удаление части воды в твердом состоянии). Данный метод позволяет получать молочную сыворотку с Мд СВ 20-30%.
Фракционирование сырья достигается путем использования основных процессов мембранных технологий. Одним из них является электромембранная обработка молочной сыворотки, которая позволяет деминерализовать ее на 70-90%. При использовании ультрафильтрации можно получить концентрат сывороточных белков с регулируемым белково-углеводным и минеральным составом. Ионнообменная обработка позволяет очищать исходное сырье от различного рода загрязнителей, а также направленно изменять химический состав и технологические свойства обрабатываемого основного и побочного сырья.
При биологической трансформации отдельных компонентов сыворотки за счет ферментативного гидролиза лактозы можно создать продукты для людей, интолерантных к лактозе.
Перспективным направлением в последнее время становится выделение из молочной сыворотки белка и использование его на пищевые цели. Наиболее простым способом осаждения белка является тепловая коагуляция. При данном способе выделяется до 30% белка. Термокислотная коагуляция позволяет выделить до 46% белка за счет снижения уровня рН до 4,4-4,6. При термокальциевом осаждении используется коагулянт СаСl2, выход белка повышается до 55%.
В СибНИИС ведутся работы по совершенствованию способов выделения белка из молочной сыворотки путем ее химической ферментативной и биологической обработки. Разрабатываемые технологии направлены на получение белковой массы из подсырной и творожной сывороток при максимальном осаждении всех фракций сывороточных белков. Применяемые технологические приемы должны обеспечивать простоту и экономичность методов осаждения.
В настоящее время на стадии доработки находится документация на продукт из альбуминной массы и высокожирных сливок. В качестве наполнителей в продукте используются сахар, соль, пектин и вкусоароматические добавки. В дальнейшем в СибНИИС планируется проведение работ по созданию новых продуктов лечебно-профилактической направленности на основе использования сывороточных белков и пробиотических микроорганизмов.
Жидких К.В., Мироненко И.М.
ГНУ СИБНИИ СЫРОДЕЛИЯ СО РАСХН, Барнаул
Источник
