Способ отделения фазы истинного раствора полидисперсной системы молока и получение малолактозной или безлактозной продукции
METHOD FOR SEPARATING PHASE OF TRUE SOLUTION OF A POLYDISPERSE MILK SYSTEM AND OBTAINING LOW-LACTOSE OR LACTOSE-FREE PRODUCTS

1. Область техники к которой относится изобретение
Изобретение относится к отделению фазы истинного раствора полидисперсной системы молока и может быть использовано в индустрии питания для производства малолактозных или безлактозных молочных продуктов, для производства концентрированного молока, а также для производства обогащенных лактозой продуктов и молочных напитков.
2. Предпосылки изобретения
Глобализация рынков открывает для молочной промышленности возможность поставок молочной продукции в Китай, Индию и другие страны Азии, Африки и Латинской Америки.
Однако использование молочных продуктов в питании ограничивается из-за непереносимости лактозы большим числом жителей этих регионов, так как у них лактоза после попадания в пищеварительный тракт не расщепляется, не переваривается и не усваивается в тонком кишечнике, поэтому и появляются симптомы, которые в медицине принято называть непереносимостью лактозы; к этим симптомам относятся: вздутие живота, боль в животе или диарея. Нередко этим страдает и взрослое население России и Европы. Для того чтобы избежать непереносимости лактозы, люди обычно предпочитают изменить свою систему питания и не употребляют молоко и молочные продукты или употребляют их в малых количествах. Однако отсутствие в питании молока или молочных продуктов может приводить к отсутствию структуры питания и нарушению питания.
Кроме того, в ассортименте молочных продуктов не предоставлена линейка высоколактозных молочных продуктов, необходимых для питания в связи повышенной потребностью в лактозе при высоких физических нагрузках, при активной умственной деятельности, в период роста для нормального развития человеческого организма и в других обстоятельствах.
Таким образом, решение задачи отделения фазы истинного раствора полидисперсной системы молока, включающего лактозу и получения малолактозной и безлактозной продукции, является актуальным.
3. Уровень техники
Молоко является сложной полидисперсной системой. Дисперсные фазы находятся в виде коллоидных (коллоидная фаза) и грубодисперсных частиц различной величины (фаза эмульсии), а также в ионно-молекулярном состоянии (фазы истинного раствора). Однако провести строгую границу между дисперсными фазами и дисперсионной средой молока нельзя, так как водные растворы одних веществ являются дисперсионной средой для других.
В виде истинного раствора в молоке содержатся соли кальция, натрия, магния, лактоза, а также водорастворимые витамины, небелковые азотистые соединения, органические кислоты, альдегиды и др. Размеры молекул и ионов солей составляют менее 1 нм, молекул лактозы - 1-1,5 нм.
В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки, казеин и большая часть фосфатов кальция.
Размеры коллоидных частиц молока составляют (в нм): совороточные белки 15-50, мицелл казеина - 40-300, фосфата кальция - 10-20. Частицы сывороточных белков молока представлены отдельными макромолекулами, а также их димерами и полимерами. Макромолекулы белков свернуты в компактные глобулы, имеющие отрицательный заряд и очень прочные гидратные оболочки. Они обладают большой устойчивостью в молоке, не коагулируют при достижении изоэлектрической точки.
Казеин в молоке содержится в виде мономеров (так называемый растворимый казеин) и в форме полимеров (субмицеллярный и мицеллярный казеин).
Коллоидный фосфат кальция малорастворим в воде и в молоке образует типичную неустойчивую коллоидную систему с гидрофобной дисперсной фазой. Его растворимость повышается под влиянием казеина, вместе с которым он входит в состав мицелл.
Таким образом, мицеллы казеина представляют собой коллоидную фазу смешанного состава, обладающую свойствами гидрофильного и гидрофобного золя. Мицелы казеина имеют почти сферическую форму, средний диаметр 70-100 нм (с колебаниями от 40 до 300 нм). В свою очередь, мицеллы казеина состоят из нескольких сотен субмицелл диаметром 10-15 нм.
В молоке казеин содержится в виде казеината кальция, соединенного с коллоидным фосфатом кальция, - в виде так называемого казеинаткальций-фосфатного комплекса (ККФК). С помощью электронно-микроскопических исследований установлено, что ККФК образуют мицеллы почти сферической формы, состоящие из субмицелл и имеющие размер от 40 до 300 нм.
Молоко является типичной природной эмульсией жира в воде, жировая фаза находится в плазме молока в виде мелких капель (шариков жира) более или менее правильной формы, окруженных защитной липопротеидной оболочкой. Нахождение жира в молоке в мелкодиспергированном виде играет важную роль в процессе его усвоения при питании, а также при технологической обработке молока.
В 1 мл молока содержится от 1,5 до 3 млрд шариков жира, их средний диаметр равен от 2 до 2,5 мкм с колебаниями от 0,1 до 10 мкм и более.
Таким образом, с учетом вышеприведенного возможно выделение фазы истинного раствора, включающего лактозу, непосредственно из молока с применением мембранных технологий.
Применение мембранных технологий позволяет разделять компоненты молока путем создания потока молока при повышенном давлении через мембрану. Компоненты, которые меньше размера пор мембраны, будут проходить через мембрану (пермеат), а более крупные компоненты будут оставаться на мембране (ретентат).
Известен способ производства молочного продукта, не содержащего лактозу (патент РФ 2308196). Способ предусматривает ультрафильтрацию молока, нанофильтрацию полученного пермеата, концентрирование НФ-пермеата обратным осмосом. Полученный ОО-ретентат используют в качестве соли при добавлении к УФ-ретентату. Затем проводят гидролиз молочного продукта с помощью лактазы. Гидролиз может осуществляться в течение 1-36 часов при температуте от 5 до 70°С. Способ позволяет удалить лактозу из молока без ухудшения его органолептических свойств.
Недостатком способа является низкая производительность и сложность промышленного применения, большие капитальные вложения, что неприемлемо в практике молочных ферм.
Известен иной способ производства безлактозного молока (патент РФ 2443116). В изобретении предлагается способ удаления лактозы из молока. Во-первых, молоко обезжиривается для получения молока низкой жирности и молочного жира, а затем в молоко низкой жирности при перемешивании добавляют молочный коагулянт и кальциевую соль для получения молочного сгустка. Молочный сгусток нагревают, разрезают с перемешиванием для получения частиц сгустка и сыворотки. Частицы сгустка растворяют молочным растворителем для получения повторно растворенного молока. Безлактозную сыворотку или сухую безлактозную сыворотку получают методом мембранного разделения. Повторно растворенное молоко смешивают с безлактозной сывороткой или сухой безлактозной сывороткой с добавлением или без добавления натурального молочного жира, эмульгируют с помощью эмульгатора для получения безлактозного молока.
Изобретение демонстрирует, что у людей, у которых отсутствует лактаза, и у больных диабетом после употребления безлактозных молочных продуктов не возникает непереносимости лактозы и аномалий сахара в крови.
Национальный стандарт Китайской народной Республики GB 13432-2004. В общем стандарте для маркировки расфасованных продуктов для специфического диетического употребления указывается, что содержание сахара (включая монолахариды и дисахариды) ≤0,5% определено как отсутствие сахара. Обычно при уменьшении содержания лактозы в молочных продуктах на 20%-50% непереносимость лактозы маловероятна. Содержание лактозы в жидком молоке с низким содержанием лактозы ≤2,5% (количество сахара снижается на 50%); содержание лактозы в сухом цельном молоке с низким содержанием лактозы по изобретению ≤20% (количество сахара уменьшается на 50%).
Способ является прототипом данного изобретения. Недостатком известного способа является применение для отделения фазы истинного раствора молочного коагулянта, который включает химозин (сычужный фермент), кислотные добавки или их смесь, а также кальциевые соли, как то хлорид кальция, цитрат кальция, или лактат кальция, а химозин включает животный химозин, такой как сычужный фермент телят или ягнят, растительный химозин, такой как химопапаин или миктобиальный химозин, такой как химозин из плесневелых грибов, кислотные добавки включают соляную кислоту, молочную кислоту, лимонную кислоту или двуокись углерода, что ограничивает последующее использование молочной сыворотки.
4. Изложение сущности изобретения.
Таким образом, задача по изобретению состоит в создании способа, решающего вышеописанные проблемы. Эта задача решается созданием взамен биохимического метода отделения фазы истинного раствора молочной смеси - физического метода отделения способом,
представленным в независимом пункте формулы изобретения. Предпочтительные варианты изобретения описаны в зависимых пунктах.
Указанная цель достигается тем, что для отделения фазы истинного раствора полидисперсной системы молока согласно способа заявлена следующая последовательность стадий: сепарируют молоко или смешивают и эмульгируют молоко и сливки, или малолактозное молоко и малолактозные сливки, полученное молоко или полученную смесь нормализуют до массовой доли жира 10÷30%, пастеризуют, гомогенизируют, замораживают, дефростируют, отделяют фазу истинного раствора, остающийся концентрат смешивают с водой или безлактозной сывороткой до содержания массовой доли жира, установленной в выходном продукте, смесь нагревают, эмульгируют, сепарируют, получают на выходе сепаратора, в зависимости от параметров исходного сырья, малолактозные сливки и малолактозное молоко или безлактозные сливки и безлактозное молоко.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. После нормализации исходной смеси до заявленной величины массовой доли жира от 10 до 30% проводится пастеризация и гомогенизация смеси в диапазоне технических параметров гомогенизаторов, применяемых в молочной промышленности для получения стандартных сливок. При гомогенизации шарики жира и мицеллы казеина разбиваются, последние осаждаются на поверхности жировых шариков и в последующих операциях замораживания, размораживания эта связь сохраняется. Жировые шарики образуют пространственную матрицу, в которой пустоты заполнены истинным раствором, который при замораживании кристаллизуется. При размораживании кристаллы растворяются, раствор отделяется, а остающийся концентрат сохраняет матрицу, образованную жировыми шариками и мицеллами, пространственная структура которой трансформируется по мере гравитационного отделения раствора, но не разрушается. При содержании жира в смеси менее 10% пространственная структура, образованная жировыми шариками, недостаточно устойчива, поэтому отход белка и жира в раствор увеличивается до неприемлемой величины. При содержании в смеси массовой доли жира более 30% смесь становится малоподвижной, а скорость отделения раствора снижается.
Фазу истинного раствора полидисперсной системы молока по мере отделения накапливают для последующей переработки. Остающийся концентрат нагревают до температуры 65°С, смешивают в соответствии с целевой установкой на конечный продукт с водой или безлактозной сывороткой до массовой доли жира 10%-30%, эмульгируют при 3000 об/мин, давлении 0,9 МПА и температуре 60-65°С в течение 20÷30 минут. Полученную смесь сепарируют с отделением малолактозных сливок и малолактозного молока.
Способ по изобретению также предусматривает смешение малолактозного молока и безлактозных сливок, эмульгирование, гомогенизацию, пастеризацию, замораживание, дефростацию, отделение фазы раствора, смешение концентрата с водой или безлактозной сывороткой. Полученная смесь сепарируется с отделением безлактозных сливок и безлактозного молока с содержанием массовой доли жира 0,1%.
Компоненты смеси, полученные в результате изобретения, могут быть использованы в производстве различных молочных продуктов.
Молочный продукт, производимый способом по изобретению, может представлять собой, например, молоко, йогурт, створоженное молоко, творог или кисломолочные напитки, мороженое, молочные напитки. Продукт, полученный способом по изобретению, может быть употреблен так, как он есть, или добавлен в качестве добавки к пищевому продукту либо как его часть. Такие пищевые продукты могут представлять собой продукты, например молочной промышленности, мясоперерабатывающей промышленности, пищевой промышленности, промышленности по производству напитков, хлебопекарной промышленности или кондитерской промышленности.
Содержание сухого вещества в молочном продукте, полученным способом по изобретению, может быть подогнано путем добавлении воды. С другой стороны, способ изобретения может быть также использован для получения, не содержащего лактозу сухого молочного порошка. Производство порошка особенно подходит для получения обезжиренного не содержащего лактозу молочного порошка, но также и для получения содержащие жир порошки.
До упаковки молочного продукта молоко может быть подвергнуто тепловой обработке, например пастеризации (72°С, 15 сек), стерилизации (130°С, от 1 до 2 сек) или ультравысокотемпературной (УВТ) обработке (138°С, от 2 до 4 сек).
Полученные в соответствии с формулой изобретения продукты отвечают требованиям к органическим продуктам, при их производстве не используются химические соли и кислоты.
5. Осуществление заявленного способа
Пример 1
1.1. Молоко 100 литров с содержанием массовой доли жира 3,5%, белка 3% подогревают до 45°С;
1.2. Сепарируют на сливки и обезжиренное молоко, сливки нормализуют до массовой доли жира в смеси 20%;
1.3. Смесь нагревают до температуры 85°С;
1.4. Смесь гомогенизируют при температуре 85°С и при давлении 15 МПа, выдерживают 35 минут при температуре 85°С;
1.5. Смесь разливают в емкости 5 литров;
1.6. Смесь замораживают до температуры минус 22°С;
1.7. Замороженную смесь размораживают в дефростере при температуре 30°С;
1.8. Отделяют фазу истинного раствора в термостат на хранение при температуре 5°С;
1.9. Остающийся концентрат нормализуют кипяченой водой температурой от 65°С до содержания массовой доли жира 20%;
1.10. Полученную смесь эмульгируют в режиме 3000 оборотов в минуту в течение 30 минут при температуре 65°С;
1.11. Смесь сепарируют до получения малолактозных сливок и малолактозного молока с содержанием массовой доли жира 0,1%.
Пример 2
2.1. Молоко обезжиренное нагревают до температуры 45°С;
2.2. Пластические сливки вводят в обезжиренное молоко кусками 0,5 килограмм до массовой доли жира 20%, смесь эмульгируют при давлении 0,95 МПа;
2.3. Смесь подогревают до температуры 85°С;
2.4. Смесь гомогенизируют при давлении 15 МПА и температуре 85°С;
2.5. Смесь пастеризуют при температуре 85°С и выдерживают 20 минут;
2.6. Пастеризованную и гомогенизированную смесь заливают в емкости 5 литров и охлаждают до температуры минус 20°С;
2.7. Замороженную до температуры минус 20°С смесь размораживают в дефростере при температуре 30°С;
2.8. Отделяют фазу истинного раствора полидисперсной системы молока, и накапливают для хранения в емкости-термостате при температуре 5°С;
2.9. Остающийся концентрат смешивают с охлажденной кипяченой водой при температуре 65°С до содержания массовой доли жира в смеси 20%;
2.10. Смесь эмульгируют в режиме 3000 оборотов в минуту в течение 30 минут при температуре 65°С;
2.11. Смесь сепарируют с получением малолактозных сливок и малолактозного молока с содержанием массовой доли жира 0,1%.