Мембранные способы переработки молочного сырья

Схема переработки молока с использованием микрофильтрации представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Схема переработки молока с использованием микрофильтрации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Ультрафильтрация

 

Ультрафильтрация (УФ)- это процесс фильтрации под давлением 0,1-0,5 Мпа, с помощью полупроницаемых мембран, с размерами пор 50-100 нм. Концентрат включает в себя все сывороточные белки. К большим молекулам относятся казеиновые мицеллы с размером частиц от 0,01 до 0,1 мкм и молекулярной массой 10 000—100 000. К макромолекулам относятся сывороточные белки с размером частиц от 0,001 до 0,01 мкм и молекулярной массой от 1000 до 10 000. Кроме того, к макромолекулам можно отнести витамины, имеющие почти такие же размеры и молекулярную массу, что и сывороточные белки, а также лактозу с частицами размером от 0,0001 до 0,001 мкм и молекулярной массой от 100 до 1000.

В молочной промышленности УФ используют для выделения белков из молока или молочной сыворотки. В процессе УФ, некоторая часть сыворотки (фильтрат) проходит через мембраны, оставляя при этом на фильтре сывороточные белки. Полученный фильтрат состоит, главным образом, из воды, лактозы и минеральных солей. Другая часть сыворотки (концентрат) проходит между мембранами, унося при этом и выделившиеся белки. Таким образом, концентрат включает все сывороточные белки и ту оставшуюся часть воды, лактозы и минеральных солей, которая не прошла через мембраны. Отношение размера концентрата и сыворотки, поступившей на УФ, составляет обычно 1 : 5 [12].

УФ используют для стандартизации молока по белку при производстве сыра, творога и сухих продуктов, для производства свежего сыра, концентрирования белка и декальцинирования пермеата, снижения концентрации лактозы в молоке (рис. 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  
                        Отсутствие белка                        УФ установка         Повышенное содержание белка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Пример схемы переработки молока с использованием метода ультрафильтрации

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕЛКА

Нормализация уровня белка в молоке. УФ исключает необходимость внесения сухого молока или других белковых добавок. Молоко, обогащенное собственным нативным белком, имеет лучший вкус и отлично подходит для производства кисломолочных продуктов.

Предварительное концентрирование молока в традиционной технологии сыроделия. Такая технологическая операция способствует оптимизации работы оборудования, увеличению выхода готового продукта за счет снижения потерь белка и сокращения количества сыворотки, позволяет компенсировать влияние сезонного колебания содержания белка в молоке.

Получение КСБ. В результате УФ обработки различных видов сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) или пермеата после микрофильтрации молока получают концентрат сывороточного белка. В данном процессе могут применяться как классическая технология УФ, так и диафильтрация (повторное концентрирование с предварительным разбавлением ретентата умягченной водой).

Пермеат. Побочным продуктом УФ обезжиренного молока является пермеат: он идеально подходит для нормализации питьевого молока по белку, восстановления сухих молочных продуктов. Кроме того, пермеат – отличная основа для получения различных освежающих напитков: прозрачных «тихих» и газированных, сокосодержащих и ароматизированных, а также для производства лактозы и ее производных.

Декальцинирование. При производстве лактозы значительное внимание уделяется очистке раствора от солей кальция. УФ применяется в качестве основного метода для декальцинирования пермеата, предварительно подсгущенного на установке обратного осмоса или, что более предпочтительно, на НФ установке. Фосфат кальция является нерастворимым соединением, поэтому легко удаляется в ходе УФ, следующей за процессом термического осаждения. Эта технология гарантирует получение высококачественной лактозы с низким содержанием минеральных солей, увеличение выхода готового продукта и сокращение времени работы вакуум-выпарного оборудования. Полученный концентрат может быть очищен до отдельного продукта–натурального фосфата кальция.

Свежие ферментированные продукты. УФ широко используется при производстве свежих сыров: цельное молоко концентрируют до 34–40 % сухих веществ. В пастеризованный ретентат (концентрат) вносят закваску и сычужный фермент, затем фасуют. Процесс формирования структуры и органолептических свойств сыра происходит непосредственно в упаковке. Технология довольно проста, а выход сыра увеличивается на 20 % по сравнению с традиционным способом производства .

Концентрирование белков в обезжиренном молоке без увеличения лактозы и солей, позволяет нормализовать  содержание в молоке белка и жира. Концентрат с завышенным содержанием белка используют для получения, сухого молока, обезжиренного молока сыра и творога. Содержащуюся в фильтрате лактозу концентрируют способом обратного осмоса и высушивают. УФ применяют также для концентрирования обезжиренного молока, к примеру, в производстве сыров, позволяет повысить выход готового продукта на 15 - 20% [4].

Направления использования продуктов УФ-обработки и достоинства этого метода приведены в таблице 2.1, 2.2

Таблица 2.1 Направления использования ультрафильтрата, полученного при УФ-обработке молочных продуктов.

Вид обработки	Область применения	Достоинства метода
УФ-обработка цельного и обезжиренного молока, пахты и подсырной сыворотки	Производство напитков и сиропа     Изготовление молочного сахара     Производство кондитерских и хлебобулочных изделий	Использование компонентов молока для выпуска продуктов питания при экономном расходовании энергоресурсов. Совпадение максимума в объемах получения сыворотки с периодом наибольшего потребления напитков Хорошая степень отделения сыворотки от белков и других несахаров и в результате высокое качество готового продукта Рациональное использование углеводов молока
УФ-обработка творожной сыворотки	Изготовление глюкозо-галактозных сиропов с использованием иммобилизованной бета-галактозидазы Производство напитков и сиропов	Замена в мороженом, сгущенном молоке и других пищевых продуктах сахарозы, снижение вероятности появления кариеса зубов у потребителей.  Удешевление готовой продукции Использование компонентов молока для выпуска продуктов питания при экономном расходовании энергоресурсов

 

Таблица 2.2 Направления использования концентрата, полученного при УФ-обработке молочного сырья

Вид обработки	Область применения	Достоинства метода
УФ-обработка цельного молока при факторе концентрации менее 2	Производство сычужных сыров по традиционной технологии           Производство кисломолочных продуктов	Увеличение выхода готового продукта на 1-3 %.Экономия молоко свертывающего фермента 20-80%. Стабилизация технологических процессов изготовления сыра и качества зрелых сыров.   Улучшение консистенции и предотвращение выделения сыворотки. Повышение пищевой ценности
УФ-обработка цельного и обезжиренного молока при факторе концентрации более 2	Производство творога, мягких и рассольных сыров	Увеличение выхода на 8-20%. Снижение расхода молоко свертывающего фермента. Получение менее кислой сыворотки
УФ-обработка сыворотки	Добавление к цельному питьевому молоку   Введение в состав кисломолочных продуктов     Производство сметаны   Выпуск плавленых сыров. Приготовление напитков, жидких основ и сухих концентратов для напитков. Производство заменителей цельного молока Производство майонеза. Использование при производстве кондитерских и хлебобулочных изделий	Повышение биологической и пищевой ценности питьевого молока. Приближение по составу к женскому молоку. Стабилизация белковой системы, связывание водной фазы. Повышение биологической и пищевой ценности. Достижение плотной консистенции при пониженной жирности. Повышение потребительской ценности Улучшение консистенции и  вкуса. Использование компонентов сыворотки в пищевых целях. Обогащение вкуса напитков Высвобождение ресурсов обезжиренного молока для производства продуктов питания Улучшение качества. Рациональное использование компонентов молока. Повышение усвояемости белковой части хлебобулочных изделий
УФ-обработка пахты	Производство сметаны. Изготовление низкокалорийных разновидностей сливочного масла	Улучшение консистенции и вкуса. Сохранение вкусового букета сливочного масла традиционного состава

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нанофильтрация

 

Нанофильтрация (НФ) — процесс, промежуточный между УФ и обратным осмосом. Данный процесс позволяет, как сконцентрировать молочное сырье, так и частично выделить из него минеральные вещества, т. е. произвести частичную деминерализацию до 30 %.

Концентрация молекул и макромолекул молочного сырья — происходит при пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор данных мембран составляют от 0,01 до 0,001 мкм, поэтому на них концентрируются молочный жир, казеиновые мицеллы и сывороточные белки, а также лактоза и частично минеральные соли; размер частиц до 0,001 мкм и молекулярная масса до 1000. Чаще только используют НФ, после УФ молочного сырья для частичного обессоливания (деминерализации) подсырной сыворотки, а также частичной деминерализации фильтрата, полученного после ультрафильтрации.  НФ проводят под давлением 2—4 МПа и температуре 50 °С.

В молочной промышленности НФ используют для получения частично деминерализованной (уровень деминерализации до 30 %) концентрированной молочной сыворотки. Ретентат включает часть минеральных веществ, белковые и углеводные компоненты, а пермеат представляет собой водный раствор солей низкой концентрации. Объединение частичной деминерализации и концентрирования в одной технологии имеет широкий спектр преимуществ: уменьшение объемов сыворотки или пермеата и за счет этого сокращение транспортных расходов; повышение органолептических показателей сухой сыворотки за счет улучшения кристаллизации и сушки; улучшение процессов кристаллизации и отделения кристаллов лактозы; повышение качества готового продукта[2]. Ретентат используют при производстве концентратов, сгущенных и сухих продуктов, а пермеат может быть использован на технологические нужды предприятия (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 
                      Вода НФ установка/ Повышенное содержание

обратный осмос сухих веществ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  4. Схема переработки молочной сыворотки с использованием технологий НФ  или обратного осмоса

 

Как и при обратном осмосе, механизмом переноса при НФ является диффузия. НФ мембраны очень схожи по химии поверхностных свойств с обратноосмотическими, но допускают диффузию не только воды, но и некоторых ионов, в основном, одновалентных (например, натрия и хлора). Более крупные ионы, включая двух- и многовалентные, и более сложные молекулы задерживаются.

Поскольку одновалентные ионы диффундируют через НФ мембрану вместе с водой, перепад осмотического давления на мембране меньше, чем при обратном осмосе, поэтому НФ обычно проводится под меньшим давлением.

Типичные применения НФ в пищевой промышленности:

1. Опреснение пищевых и молочных продуктов, напитков, побочных продуктов.

2. Частичное опреснение сыворотки, УФ пермеата или ретентата.

3. Снижение цветности и обработка пищевых продуктов.

4. Концентрирование пищевых и молочных продуктов, напитков, побочных продуктов.

5. Концентрирование побочных продуктов брожения.

Компактные, удобные в управлении и надежные в работе НФ-установки позволяют осуществлять одновременно концентрирование и деминерализацию сыворотки. На выходе, в зависимости от способа реализации НФ-процесса, получают сывороточные концентраты с массовой долей сухих веществ в диапазоне 16-35% и уровнем деминерализации 20-70%. Хорошие органолептические показатели сывороточных НФ-концентратов позволяют хорошо использовать их как в составе традиционных продуктов питания, в частности молочных, так и при разработке других пищевых композиций. За границей, в странах с развитой молочной промышленностью, сывороточные концентраты, полученные с применением мембранных технологий, широко используются в производстве мороженого, кисломолочных напитков, сливочных сыров, майонезов, кондитерских изделий и т.д., а также применяются в составе детских, диетических и специальных продуктов с повышенной биологической и физиологической ценностью.

В России, особенно важным является использование НФ в переработке творожной сыворотки, составляющей более 50% всей сыворотки, производимой отечественной молочной отраслью. В 2010 году, при техническом содействии ООО «Альтаир» (г.Владимир) в Вологодской государственной молочнохозяйственной академии в результате проведения системных исследований была разработана оригинальная технология концентрирования, деминерализации и раскисления творожной сыворотки с помощью НФ.

Полученные сывороточные НФ-концентраты обладают хорошими органолептическими показателями, что обеспечивает возможность их включения в разнообразные технологические схемы получения как традиционных, так и оригинальных пищевых продуктов. Расчеты показывают, что в зависимости от вида конечного продукта применение НФ-обработки творожной сыворотки позволяет получать от 4 до 6 тыс. руб. дополнительной прибыли в пересчете на 1 т натуральной сыворотки [3].

В целом, внедрение нанотехнологий в молочную отрасль России позволит: