Анализ переработки молочной сыворотки и создание перспективных ресурсосберегающих технологий

БИОЛОГИЯ, БИОТЕХНОЛОГИИ

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №1, 2013 г.

УДК: 637.1 Евдокимов Иван Алексеевич [Evdokimov Ivan],

Золоторева Марина Сергеевна [Zolotoreva Marina],

Володин Дмитрий Николаевич [Volodin Dmitriy],

Сомов Виталий Сергеевич [Somov Vitaliy]

АНАЛИЗ ПЕРЕРАБОТКИ

молочной сыворотки И СОЗДАНИЕ перспективных ресурсосберегающих технологий

Analysis of processing whey and creation of perspective resource saving technologies

Рассмотрены статистические данные по видам и объемам производимой сыворотки в России. Определены основные направления ее переработки, предложена технология инновационных продуктов на основе молочной сыворотки.

Discussed statistics on the types and volumes whey produced in Russia. Defines the main directions of its processing, proposed a technology of innovative products based on whey.

Ключевые слова:

сыворотка, мембранные процессы, инновационные продукты.

Keywords: whey, membrane processes, innovative products.

Проблема использования молочной сыворотки возникла на заре промышленного освоения технологий сыра, творога и казеина, при производстве которых не более 20 % массы молока переходит в основной продукт, в то время как 80-88 % приходится на молочную сыворотку. При этом в молочной сыворотке остается около 50 % сухих веществ молока (составных частей молока). По причине отсутствия экономически выгодных технологий переработки сыворотку часто рассматривали не как полноценное молочное сырье, а как отходы производства или, в лучшем случае, как сырье для откорма сельскохозяйственных животных. Изменение экономических условий и появление инновационных технологий переработки сыворотки (1, 2), а также ужесточение норм к охране окружающей среды (3) требуют от современного перерабатывающего предприятия относиться к сыворотке как к полноценному молочному сырью (4).

Нами проведен анализ использования и перспектив переработки молочной сыворотки в России на основе официально опубликованных источников (5 ,6 ,7). Производство натуральных сыров и творога в РФ в 2009 г составило около 656,5 тыс. т, из них сыров — 262,5 тыс. т, творога — 394 тыс. т. При этом объемы полученной молочной сыворотки приблизительно составляют 4814 тыс. т, из них подсырной сыворотки — 1971 тыс. т (40 %), творожной сыворотки — 2843 тыс. т (60 %). Получено сухих продуктов из сыворотки около 49 тыс. т, при этом переработано натуральной молочной сыворотки не более 800 тыс. т, т. е. около 40 % от объемов подсырной сыворотки, т.к. на сушку используется в основном подсырная сыворотка, и около 17 % от общего объема сыворотки. Объемы производства других продуктов из молочной сыворотки (обогащенная, сгущенная сыворотка, молочный сахар и др.) не превышают 5-6 тыс. т в год. При производстве сывороточных напитков используется незначительная доля (1 %) от общего объема сыворотки. Реализация сыворотки в натуральном виде составляет не более 15 %. При этом наблюдается очень низкая доля использования творожной сыворотки.

На основании критического анализа априорной информации в технологии переработки молочной сыворотки можно выделить три основных направления:

1. Выделение из молочной сыворотки крупных фракций (казеиновая пыль, агломераты сывороточных белков, молочный жир) и их использование — дальнейшая обработка очищенной сыворотки с целью получения сывороточных напитков, желе, пудингов, альбуминного творога или пасты, сквашенной сыворотки для кормовых целей, жидкого ЗЦМ и аналогичных продуктов, производство которых не требует высокотехнологичного оборудования и не является энергоемким. При этом на предприятии может быть переработано от 30 до 50 % объема молочной сыворотки. Остальная сыворотка — это реализация в натуральном виде другим пищевым отраслям или хозяйствам.

2. Получение продуктов или молочных компонентов из сыворотки с использованием высокотехнологичных процессов и оборудования: сгущенные и сухие сывороточные концентраты; бифидогенные концентраты; сгущенные и сухие смеси пищевого и кормового назначения; молочный сахар и лактулоза; низколактозные и безлактозные продукты; основы для производства цельномолочных продуктов; компоненты для обогащения традиционных продуктов; жидкая, концентрированная, сухая деминерализованная сыворотка; сухой пермеат; концентраты сывороточных белков (КСБ); микропартикулированные белки (МПБ) и др. Технологии таких продуктов могут быть реализованы на более крупных предприятиях с объемами молочной сыворотки от 50 тонн в смену и более и подразумевают применение энергоемких процессов (вакуум-выпаривание, сушка) в сочетании с высокотехнологичными процессами, позволяющими экономить энергоресурсы. При этом потери, сброс и реализация сыворотки в натуральном виде становятся незначительными.

3. Получение продуктов глубокого фракционирования молоч-

ной сыворотки. Данный вид переработки сыворотки подразумевает использование высокотехнологичного оборудования и процессов, основанных на наукоемких технологиях, а также связан с определенными капиталовложениями. Полученные продукты высоко востребованы на рынке и вследствие небольшого количества производителей и невысокого уровня конкуренции на российском рынке могут быть реализованы по выгодным для продавца ценам. Данная продукция, в первую очередь, предназначена для применения в области медицины, фармацевтики, косметологии и продуктов специализированного питания. Технологии подразумевают безотходную переработку молочной сыворотки и подходят для крупных централизованных предприятий по переработке молока и молочной сыворотки. К таким продуктам относятся: концентраты и изоляты белков, а-лактальбумин, ^-лактоглобулин, лактоферрин, лактопероксидаза, ангиогенин, гидролизаты белков, биоактивные пептиды, препараты кальция, органические кислоты, спирт, гидролизаты лактозы, лактулоза, галактоолигосахариды, галактоза, тагатоза и другие.

Принимая во внимание особенности условий работы большинства российских предприятий, наиболее перспективным представляется реализация второго направления, т.к. оно позволяет, при разумных капиталовложениях на модернизацию технологических линий необходимым оборудованием, значительно увеличить объемы перерабатываемого сырья и спектр его использования, а также получить дополнительную прибыль в размере до 30 % (9) за счет производства и реализации дополнительной продукции и снижения затрат, связанных со сбросом молочной сыворотки. Срок окупаемости таких проектов, по нашему опыту, составляет (0,5-1,5) года в зависимости от объемов переработки сыворотки и вида конечной продукции.

Ежегодное увеличение объемов перерабатываемой молочной сыворотки обусловлено ростом количества производимой сухой молочной сыворотки крупными молокоперерабатывающими предприятиями (рис. 1). Это наиболее рациональный способ крупномасштабной переработки сыворотки, хотя и весьма энергозатратный.

Организация переработки молочной сыворотки на предприятии и её использование сопряжены со следующими трудностями:

— сложность или невозможность переработки кислой сыворотки;

— необходимость немедленной переработки сыворотки для исключения микробиологических процессов и нарастания кислотности или использование тепловой обработки для возможности резервирования;

— затруднения при сушке сыворотки, по причине высокой гигроскопичности лактозы;

— проблемы при кристаллизации лактозы, вследствие высокого содержания минеральных веществ, и низкого содержания СВ.

2006 2007 2008 2009

Рис. 1. Диаграмма производства сухой молочной сыворотки (5, 6, 7).

н6

I I

о ш 5 О

NF

Пермеат СВ — 0,63 (0,08) %

Концентрат солей

*

Конденсат

=>

Рис. 2. Схема переработки молочной сыворотки с использованием мембранных технологий.

0

2005

Для интенсификации процесса сушки молочной сыворотки, расширения сырьевой базы с включением кислой сыворотки предлагается внедрение в технологическую цепочку электро и баромембранных процессов. Схема переработки молочной сыворотки с применением мембранных технологий представлена на рисунке 2.

Процессы нанофильтрации или обратного осмоса предназначены для предварительного концентрирования сырья до 18-22 % сухих веществ. Их применение позволяет снизить негативное температурное воздействие на сырье (температуры до 30 °С) и сократить энергозатраты, вследствие сокращения времени работы вакуум-выпарного оборудования. Выбор процесса нанофильтрации или обратного осмоса зависит от требований и производственных условий конкретного предприятия, а также объемов, состава сырья и качества конечного продукта. Применение рассмотренных технологий баромембранной фильтрации перед этапом вакуум-выпаривания позволяет удалить из сырья до 70 % воды, при этом энергозатраты, необходимые для осуществления процесса фильтрации в 4-7 раз ниже вакуум-выпаривания.

Электродиализные методы обработки позволяют справиться с двумя основными проблемами, свойственными молочной сыворотке: высокой минерализацией и повышенной кислотностью. В процессе демине-

I.

80

60

50

40

20

0

I Г

I I

II и

I I I

80

60

50

40

20

Рис. 3. Зависимость титруемой кислотности и степени удаления

молочной кислоты в концентрированной кислой сыворотке от уровня деминерализации.

120

100

100

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

рализации удаляется значительная часть солей (до 90 %) и молочной кислоты (рис. 3), что открывает возможность переработки соленой и кислой молочной сыворотки.

Мембранная фильтрация позволяет получить более концентрированный продукт в вакуум-выпарных аппаратах (до 56 % СВ), удалить нежелательные для процесса кристаллизации соли и молочную кислоту, правильно провести процесс кристаллизации лактозы и наилучшим образом подготовить сыворотку к процессу сушки. Как показывает практика наших внедрений, деминерализованную сыворотку с уровнем 50 % и выше можно направлять на распылительную сушку, минуя процесс кристаллизации. Мембранная обработка позволяет сушить любые виды сыворотки как подсырную (сладкую и соленую), так творожную и казеиновую.

Электродиализ не оказывает существенного влияния на качество и количество сывороточных белков, лактозы и витаминов молочной сыворотки, улучшаются ее органолептические показатели. Применение электродиализа позволяет сформировать новые технологические подходы с целью выделения составных частей молока из молочной сыворотки.

Мембранные технологии дают возможность использования молочной сыворотки на различных стадиях технологического процесса, не доводя ее до процесса сушки. Это является перспективным направлением для сравнительно небольших предприятий, где имеется до 5-10 т сыворотки в сутки. Мембранная обработка позволяет получить молочную сыворотку и выделить из нее компоненты молока с целым рядом качественно новых технологических и функциональных свойств, что значительно расширяет спектр ее использования в пищевых продуктах (рис. 4).

Применение электро и баромембранных процессов эффективно в технологии получения молочного сахара высокого качества и его производных. При этом нанофильтрация и обратный осмос позволяют снизить затраты энергии на удаление влаги в процессе концентрирования молочной сыво-

Рис. 4. Структура применения молочной сыворотки и компонентов молока из сыворотки в различных продуктах питания.

ротки или пермеата. При ультрафильтрации извлекаются ценные сывороточные белки, а процесс электродиализа удаляет нежелательные минеральные вещества и кислоты, препятствующие интенсивному протеканию процессов кристаллизации и выделению чистой лактозы.

Итак, мембранные процессы в технологии молочного сахара, лакту-лозы и бифидогенных концентратов позволяют: интенсифицировать процесс; сократить энергозатраты; увеличить выход и качество готового продукта; уменьшить использование химических реагентов; увеличить ресурсы сырья за счет использования кислой сыворотки.

Получаемые в процессе ультрафильтрации концентрат сывороточных белков (КСБ) и пермеат являются ценными продуктами, т.к. содержат молочные компоненты. Пермеат, образующийся в процессе ультрафильтрации, может быть высушен или использован для производства лактозы, лак-тулозы, функциональных напитков и т.п. При этом, пермеат следует подвергнуть предварительной электродиализной обработке.

КСБ находит все большее применение в технологии продуктов детского, диетического, спортивного питания, в мясном производстве и позволяет получить новые функциональные продукты, направленные на уменьшение

дефицита животного белка в рационе. Из КСБ можно получить качественно новый продукт — микропартикулированный белок (МПБ), который, имея состав и пищевую ценность КСБ, обладает качественно новыми характеристиками и свойствами. В процессе микропартикуляции происходит формирование глобул сывороточных белков посредством термического и механического воздействия, в результате чего контролируемо образуются частицы правильной сферической формы и определенного диаметра (от 0,1 до 3 мкм), что соответствует размерам жировых шариков в молочных продуктах и предотвращает образование крупных белковых агломератов. Находясь в денатурированном состоянии и имея на поверхности гидрофильные и гидрофобные участки, частицы белка обладают высокой стабильностью и способны выполнять функции дисперсной фазы в любых системах, независимо от значений рН и температуры. МПБ легко диспергируется и быстро вос-ставнавливается без применения специального оборудования и технологий.

Одним из наиболее целесообразных направлений использования молочных компонентов, полученных мембранными методами из молочной сыворотки, является производство цельномолочных продуктов.

Специалистами ООО «МЕГА ПрофиЛайн» на базе НОЦ «Мембранные биотехнологии» СевКавГТУ (ведущая научная школа НШ 7510.2010 руководители А.Г. Храмцов, И.А. Евдокимов) были проведены исследования по разработке технологий цельномолочных продуктов с использованием молочных компонентов, полученных мембранными методами.

МПБ использовали в технологиях кисломолочных напитков, низкожирной сметаны (м.д.ж. 10 %) и обезжиренного творога. МПБ в составе кисломолочных напитков и сметаны связывает и удерживает влагу, дополнительно эмульгирует жировые шарики, смягчает структуру сгустка и делает ее более эластичной, положительно влияет на органолептические показатели и реологические характеристики. Внедрение микрочастиц МПБ в структуру казеиновой матрицы при производстве обезжиренного творога способствует увеличению выхода готовой продукции на 10-15 % по сравнению с массой контрольного образца, при этом творог имеет более нежную консистенцию и мягкий сливочный вкус.

Молочные компоненты, полученные мембранными методами, использовали в производстве молока питьевого и кисломолочных напитков. Способ выработки молока и кисломолочных напитков существенно не отличался от традиционной технологии. В результате проведенных исследований установлены оптимальные соотношения компонентов в смеси, позволяющие получить продукты с наилучшими физико-химическими и органолептическими характеристиками, при этом они обладают более высокой биологической ценностью за счет обогащения продукта сывороточными белками.

Таким образом, применение электродиализа и мембранной фильтрации позволяет решать важные технологические задачи и получать инновационные пищевые продукты с максимальным использованием потенциала молочной сыворотки.

ЛИТЕРАТУРА И ИСТОЧНИКИ

1. Евдокимов И.А., Володин Д.Н., Бессонов А.С., Золоторева М.С., По-верин А.П. Реальные мембранные технологии // Молочная промышленность. 2010. № 1. С. 49-50.

2. Шипулин В.И., Евдокимов И.А., Слюсарев Г.В. Пищевые функциональные модули на основе деминерализованной молочной сыворотки // Молочная промышленность. 2009. № 12. С. 57-58.

3. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворотки.: Учебное пособие. М.: ДеЛипринт, 2004.

4. Синельников Б.М., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцева С.А., Серов А.В. Лактоза и ее производные. СПб.: Профессия, 2007.

5. Молочная индустрия мира и Российской Федерации: ежегодник 2011 / Российский союз предприятий молочной отрасли; сост. С. А. Пластинин,

B. Д. Харитонов, В. В. Лабинов. М.: (б. и.), 2011.

6. Российский союз предприятий молочной отрасли / Бюллетень ММФ № 446/2010, 2010.

7. Основные показатели сельского хозяйства в России в 2009 году. Продукция сельского хозяйства в 2009 году: http://www.gks.ru/doc_2009/bul_ drZsxprod_2009.xls

8. Евдокимов И.А., Пермяков А.В., Дыкало Н.Я. Аспекты переработки подсырной соленой сыворотки // Переработка молока. 2010. № 2(124).

C. 28-29.

9. Свириденко Ю.Я., Кравченко Э.Ф. Время менять стратегию // Переработка молока. 2010. № 2. С. 6-10.

ОБ АВТОРАХ

Евдокимов Иван Алексеевич, д.т.н.; профессор; академик МАХ; директор Института «Живые системы»; ФГАОУ СКФУ; 355035, г. Ставрополь, ул. Маршала Жукова, 9; eia@ncstu.ru; 8 (8652) 23-58-34;

Золоторева Марина Сергеевна, к.т.н.; докторант кафедры прикладной биотехнологии; ФГАОУ СКФУ; 355035, г. Ставрополь, ул. Маршала Жукова, 9, msz@ ncstu.ru; 8-928-342-78-80;

Володин Дмитрий Николаевич, к.т.н.; инженер кафедры прикладной биотехнологии; ФГАОУ СКФУ; 355035, г. Ставрополь, ул. Маршала Жукова, 9, 8 (8652) 23-58-34;

Сомов Виталий Сергеевич, аспирант кафедры прикладной биотехнологии; ФГАОУ СКФУ; 355035, г. Ставрополь, ул. Маршала Жукова, 9, 8-962437-00-97.

Evdokimov Ivan Alekseevich, North-Caucasian Federal University, Director of Institute of Living Systems, Doctor of technical sciences, professor, academician of International academy of refrigeration.

Zolotoreva Marina Sergeevna, North-Caucasian Federal University, Department of Applied Biotechnology, candidate of technical sciences, doctoral student.

Volodin Dmitry Nikolaevich, North-Caucasian Federal University, Department of Applied Biotechnology, candidate of technical sciences, engineer.

Somov Vitaly Sergeevich, North-Caucasian Federal University, Department of Applied Biotechnology, postgraduate student.