Способ производства сывороточного изолята для изготовления адаптированных молочных смесей и заменителей грудного молока
METHOD FOR PRODUCTION OF WHEY ISOLATE FOR MANUFACTURE OF ADAPTED MILK MIXTURES AND BREAST MILK SUBSTITUTES

Изобретение относится к пищевой промышленности, конкретно к молочному производству, производству детского питания. Предназначено для получения белкового сырья - сывороточного изолята высокого качества, пригодного для производства питания для новорожденных.
Для обработки молочных продуктов с целью снижения микробиологической обсемененности используют химические и физические способы.
Химические способы предусматривают внесение химических соединений, которые подавляют рост микробов или уничтожают их. Добавление в молоко и молочную сыворотку (пермеат) химических реагентов не всегда является безопасным для организма человека.
Физические способы заключаются в том, что с целью уничтожения посторонней микрофлоры и подавления ее роста и развития молоко и молочную подвергают термическому нагреву. Основной недостаток - при температурном воздействии на молочную сыворотку (пермеат) свыше 60-65°С происходят денатурация сывороточных белков, распад лактозы.
Известны способы стерилизации сырого молока и сырой молочной сыворотки (пермеата) путем электронно-лучевой обработки с целью обеспечения избирательного разрушения живых микроорганизмов в веществах без нарушения структуры облучаемых веществ. Например, в патенте RU2361407 электронно-лучевую обработку проводят импульсным электронным пучком с энергией электронов 450-500 кэВ, дозой поглощения 1,5-9,5 кГр.
В настоящее время большинство производителей детских молочных смесей придерживаются традиционного способа производства. Он заключается в получении молочной сыворотки (пермеата) путем осаждения мицелл казеина за счет добавления кислоты либо сычужного фермента и, вследствие этого, снижения уровня рН молока. К сожалению, данный способ имеет свои недостатки. Во-первых, в сыворотке (пермеате) остается часть ферментов и химических веществ, образующихся в процессе коагуляции. Во-вторых, при снижении уровня рН сыворотки (пермеата) происходит увеличение числа молочнокислых бактерий, удаление которых производится с помощью термической обработки, в результате которой белки могут подвергнуться денатурации, изменяются их свойства, а также снижается биодоступность и биологическая ценность. Помимо этого, попытки снижения количества белка в молочной смеси, к чему стремится большинство производителей, лимитированы минимальной концентрацией незаменимых аминокислот, которая необходима для полноценного развития ребенка. Многие производители снижают концентрацию белка, но повышают его биологическую ценность за счет введения в состав смеси альфа-лактальбумина. Однако и в данном случае не всегда удается достичь желаемого результата, так как процесс введения альфа-лактальбумина лимитирован уровнем содержания треонина, который не должен быть превышен (Демкина Е. Ю. Содержание аминокислот в белке как критерий качества молочной смеси // Вопросы современной педиатрии. 2011. 3 (10): 20–25.).
Основное назначение сывороточно-белковых концентратов и сывороточных белков детских молочных продуктов - повышение биологической ценности. Источником сывороточных белков служит молочная сыворотка (пермеат) в составе ее сухого вещества около 75% лактозы и до 15% белков, представленных в основном альбуминовыми и глобулиновыми фракциями (растворимая – лактальбумин и нерастворимая – лактоглобулин).
Сывороточные белки подразделяют на термолабильные и термоустойчивые. Термолабильными сывороточными белками называют часть белков (около 80% - лактальбуминовая и лактоглобулиновая фракции), способных осаждаться при подкислении до рН 4,6-4,7 после предварительной термической обработки (кипячение в течение 30 мин). Термоустойчивые белки – это часть сывороточных белков, не коагулирующих под действием кислоты, при рН 4,6-4,7 после предварительной термообработки молока (кипячение в течение 30 мин), но осаждаемых такими специфическими реактивами, как фосфорновольфрамовая или трихлоруксусная кислоты. Это так называемая протеозо-пептонная фракция.
В сывороточных белках присутствуют в оптимальном количестве такие незаменимые для организма аминокислоты, как триптофан, метионин, лизин, цистин и гистидин.
Выделение сывороточных белков основано на их физико-химических свойствах. В настоящее время широко распространены кислотно-тепловой способ коагуляции при значениях рН, близких к изоэлектрической точке, и мембранные методы (ультрафильтрация, ионный обмен, электродиализ и др.).
Ультрафильтрация – это процесс фильтрации под давлением через фильтры с размером пор не более 0,8 мкм. Цель ультрафильтрации сыворотки (пермеата) – задержка белковых фракций в концентрате. При этом лактоза, соли и другие низкомолекулярные соединения переходят в фильтрат. Концентрат, полученный при ультрафильтрации сыворотки (пермеата), может содержать до 30% сухих веществ, из которых белки составляют 70-75%. Чтобы получить более высокое содержание белка, применяют диафильтрацию – концентрат разбавляют водой и вновь подвергают ультрафильтрации. При этом повышается масса белков в концентрате и снижается до желаемого уровня содержание лактозы и солей.
Ультрафильтрация позволяет получить неденатурированные белки, обладающие хорошей растворимостью, высокой водосвязывающей, эмульгирующей, желирующей и пенообразующей способностями. Эти функциональные свойства позволяют использовать сывороточные белки, содержащие ценные незаменимые аминокислоты, в производстве заменителей женского молока.
Известен, например, концентрат сывороточный белковый, полученный методом ультрафильтрации (КСБ-УФ) (ТУ 10.02.02-44-87). При производстве КСБ-УФ подсырную сыворотку очищают от казеиновой пыли, сепарируют с целью выделения жира, пастеризуют при 72-75°С с выдержкой 15-20 с и охлаждают до 50-55°С. Затем проводят ультрафильтрацию до содержания сухих веществ в концентрате 18-19%. Полученный после ультрафильтрации концентрат с температурой 50-55°С подают в распылительную сушильную установку без дополнительного сгущения. Температура входящего воздуха составляет 160-170°С, а выходящего – 80-85°С (https://sinref.ru/000_uchebniki/04200produkti/110_tehnologia_molochn_produktov_detskogo_pit_prosekov_2005/001.htm).
Известен международный патент на изобретение https://patents.justia.com/patent/10080372 получения качественного белка Prolacta. Впервые в качестве сырья для получения белка Prolacta была использована не молочная сыворотка (пермеат), а непосредственно молоко. С помощью мембранных технологий сывороточные белки напрямую экстрагируются из сепарированного молока без применения высокотемпературной обработки, химического и ферментативного воздействия, сопряженных в процессе производства с получением молочной сыворотки (пермеата).
Оптимизированный белок Prolacta — это изолят сывороточных белков молока, полученный с использованием методов микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса. Prolacta является высококачественным белком, полностью сохранившим свои нативные свойства, благодаря мембранной технологии производства в условиях низких температур и при отсутствии воздействия кислот, вызывающих денатурацию. Вследствие этого Prolacta не теряет свою биологическую ценность в процессе производства, чего трудно достичь при традиционном методе производства детских молочных смесей. Кроме того, в белке Prolacta количество и уровень аминокислот полностью контролируем, гарантирован и постоянен.
Задача, на решение которой направлено изобретение - создание собственного российского белкового сырья для изготовления адаптированных молочных смесей и заменителей грудного молока в рамках импортозамещения и необходимости существенного увеличения поголовья скота.
Технический результат - cохранение сывороточных белков в нативной форме за счет того, что элиминацию патогенной флоры проводят в две стадии: проводят мембранную очистку и электронно-лучевую обработку импульсным наносекундным электронным пучком.
Кроме того, электронно-лучевая элиминация позволяет устранить бактерии Bacillus cereus – повсеместно встречающиеся грамположительные, спорообразующие, подвижные палочки, вызывающие у людей желудочные заболевания (диарею и др.), а также септицемию, эндокардит, поражения центральной нервной системы. Заболевание, как правило, непродолжительное и прекращается без какого-либо лечения, однако зарегистрированы также и единичные смертельные случаи. Однако у грудных детей в возрасте до 6 месяцев вызывают острое отравление и крайне вредны. С учетом того, что делаем сырье для детского питания, необходимо от нее избавиться. Она не погибает при обычной пастеризации, погибает только при электронно-лучевой элиминации.
Нативное состояние (от латинского nativus – «врожденный»), nativestate — это термин, использующийся в биохимии, характеризирующий состояние биомолекулы, обычно белка, когда эта молекула сохраняет структуру, необходимую для функционирования в живой клетке (http://moitabletki.ru/native-state-protein.html).
Заявляется способ производства сывороточного изолята для изготовления адаптированных молочных смесей и заменителей грудного молока, включающий электронно-лучевую обработку импульсным наносекундным пучком электронов плотностью 30-45 кГр на кромке, что соответствует поглощенной дозе 8-9 кГр в усредненном потоке, обезжиренной смеси коровьего молока и коровьего молозива, состоящего из 90% коровьего молока и 10% коровьего молозива или из 85% коровьего молока и 15% коровьего молозива, предварительно пропущенной через бактофугу и прошедшей «холодную сепарацию» при температуре до 30°С, после облучения смесь направляют на фильтрацию сначала через мембрану 800 нм, затем через мембраны с ситами 20 нм, где происходит разделение на пермеат и казеиновый ретентат, пермеат направляют на микрофильтрацию с двумя ситами в 3 нм, проводят диафильтрацию для удаления солей и лактозы, после чего проводят процесс предварительного сгущения концентрированного сывороточного изолята до 70-80% на вакуумно-выпарных установках при температуре ниже 40°С, далее проводят сушку.
Изобретение поясняется иллюстрациями,
На Фиг. 1 представлена мембранная установка в процессе работы. Слева мембрана 800 нм. Справа мембрана 20 нм.
На Фиг.2 представлена полученная сыворотка (пермеат): слева - после фильтрации через мембрану 800 нм, справа - после фильтрации через мембрану 20 нм.
На Фиг.3 представлены результаты исследования смеси после фильтрации через мембрану 800 нм.
На Фиг.4 представлены результаты исследования смеси после фильтрации через мембрану 20 нм.
На Фиг.5 приведена сводная таблица по обработке смеси.
На Фиг.6 представлены результаты, подтверждающие, что в результате использования мембранной технологии была обеспечена полная элиминация патогенной флоры с сохранением активности сывороточных белков.
На Фиг.7 представлены результаты, подтверждающие, что в результате использования новой технологии удалось в 40 раз поднять содержание сывороточных белков.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Смесь из коровьего молока и коровьего молозива в соотношении либо 90-10%, либо 85-15% пропускается через бактофугу - агрегат для удаления споровых микроорганизмов и бактерий из молока. Затем смесь направляется на «холодную сепарацию» при температуре нагрева до 30°С. Затем обезжиренная смесь направляется на элиминацию патогенной микрофлоры - производится обработка импульсным наносекундным электронным пучком поглощенной дозой 30-45 кГр на кромке, что соответствует поглощенной дозе 8-9 кГр в усредненном потоке.
После этого обезжиренная смесь направляется на мембранную установку:
- для начала проходит через мембрану 800 нм;
- затем смесь проходит процесс микрофильтрации с применением мембраны с ситами 20 нм, где происходит разделение на пермеат и ретентат.
Казеиновый ретентат направляется на творожное производство по стандартной методике.
Оставшийся пермеат направляется на ультрафильтрацию с двумя ситами в 3 нм, далее на диафильтрацию для удаления солей и лактозы с применением аппарата обратного осмоса для подготовки воды должного качества. После этого происходит процесс предварительного сгущения концентрированного сывороточного изолята до 70-80% на вакуумно-выпарных установках при температурах ниже 40°С.
Далее проводится спреевая сушка и фасовка.
В результате обработки сырья импульсным электронным пучком, представляющим собой электронный пучок наносекундной длительности, происходит возбуждение и ионизация молекул молока и молочной сыворотки (пермеата), в том числе и микроорганизмов. Воздействие импульсного наносекундного электронного пучка на молекулярном уровне дестабилизирует биологическую систему и приводит к гибели микробов, что способствует увеличению сроков хранения молока и молочной сыворотки (пермеата). Использовалось устройство, известное, например, из патента RU 2235470.
Для изучения эффективности метода «холодного» обеззараживания молока импульсным наносекундным электронным пучком был проведен ряд предварительных исследований.
Была изучена возможность использования наносекундного пучка ускоренных электронов для снижения бактериальной обсеменённости коровьего молока. Для электронно-лучевой обработки молока использовались ускоренные электроны импульсного наносекундного пучка в форме наносекундных импульсов, поглощенная доза (ПД) для проб молока составляла от 10 кГр до 50 кГр. Для облучения использовались частотные или импульсно-периодические наносекундные ускорители электронов. Энергия ускоренных электронов была ниже порога энергии активации 1,67 МэВ или в диапазоне незначительной активации до 5 МэВ.
Всего исследовано 6 проб молока, отобранного из молочного танка. Опытные пробы подвергали однократному воздействию импульсами ускоренных электронов. Далее пробы молока подвергали анализам.
Было обнаружено, что при обработке молока при повышении поглощенной дозы увеличивается массовая доля белка, плотность молока, при этом наблюдается снижение количества живых микробных клеток (КОЕ), также уменьшается количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ). Также наблюдается снижение патогенных микроорганизмов при качественном микробиологическом исследовании.
Способ поясняется примером конкретного выполнения.
1. Во время проведения анализа на определения массовой доли белка (МДБ) был использован коэффициент пересчета для молока (к=0,95).
Молоко коровье сырое было направлено на исследование (лаборатория ПМК). Полученные результаты приведены в Таблице 1.
Таблица 1
№
Показатель
Результат
Норматив (ГОСТ Р 52054-2003 Молоко коровье сырое. ТУ)
1
МДБ - массовая доля белка
3,07 %
2,8
2
МДЖ - массовая доля жира
3,2 %
3
Плотность, кг/м<sup>3</sup>, не менее
1029
1028,0
4
Кислотность, °Т
15
Не ниже 16,0 и выше 18,0
5
БКГП - бактерии группы кишечной палочки
Обнаружено
6
КМАФАиМ
6,6*10<sup>5</sup>
1,0*10<sup>5</sup>
7
Наличие дрожжей
>1*10<sup>2</sup>
8
Наличие плесени
9
Наличие антибиотиков
Отсутствуют
Молозиво коровье сырое также было направлено на исследования (лаборатория ПМК). Полученные результаты приведены в Таблице 2.
Таблица 2
№
Показатель
Результат
Норматив (ГОСТ Р 52054-2003 Молоко коровье сырое. ТУ)
1
МДБ
12,6 %
2,8
2
МДЖ
4,9 %
3
Плотность
1063
1028,0
4
Кислотность, °Т
58
Не ниже 16,0 и выше 18,0
5
БКГП
Обнаружено
6
КМАФАиМ
>1*10<sup>7</sup>
1,0*10<sup>5</sup>
7
Наличие дрожжей
>1*10<sup>2</sup>
8
Наличие плесени
Сделана смесь молока и молозива (90% молока и 10% молозива) и направлена на исследования (лаборатория ПМК). Полученные результаты приведены в Таблице 3.
Таблица 3
№
Показатель
Результат
Норматив (ГОСТ Р 52054-2003 Молоко коровье сырое. ТУ)
1
МДБ
4,08 %
2,8
2
МДЖ
3,5 %
3
Плотность
1034
1028,0
4
Кислотность, °Т
19
Не ниже 16,0 и выше 18,0
5
БКГП
Обнаружено
6
КМАФАиМ
>9,6*10<sup>6</sup>
1,0*10<sup>5</sup>
7
Наличие дрожжей
>1*10<sup>2</sup>
8
Наличие плесени
Смесь нагрели до 30°С и запустили в сепаратор. Далее смесь была просепарирована и направлена на исследование (лаборатория ПМК). Полученные результаты приведены в Таблице 4.
Таблица 4
№
Показатель
Результат
Норматив (ГОСТ Р 52054-2003 Молоко коровье сырое. ТУ)
1
МДБ
4,27%
2,8
2
МДЖ
0,1%
3
Плотность
1035
1028,0
4
Кислотность, °Т
20
Не ниже 16,0 и выше 18,0
5
БКГП
Обнаружено
6
КМАФАиМ
>7,8*10<sup>6</sup>
1,0*10<sup>5</sup>
7
Наличие дрожжей
>1*10<sup>2</sup>
8
Наличие плесени
Обезжиренную смесь пропустили через мембраны 800 нм и 20 нм.
За 4,5 часа было получено 500 мл после мембраны 800 нм и 900 мл после мембраны 20 нм.
Образцы были направлены на исследование (лаборатория ПМК). Полученные результаты:
Смесь (сыворотка 800) МДБ – 2,73 %.
Смесь (сыворотка 20) МДБ -0,33 %.