СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ
MILK WHEY PRODUCTION METHOD

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для получения молочной сыворотки с различным содержанием СВ от 5,0 до 98% с бифидогенными свойствами, а также с улучшенными органолептическими и физико-химическими характеристиками.
Известен способ получения сухой молочной сыворотки с бифидогенными свойствами [Патент РФ №2098977 Способ производства сухой молочной сыворотки. Опубл. 20.12.97. бюл. №35]. Способ предусматривает сбор, резервирование, нагревание, сепарирование, пастеризацию, охлаждение, сгущение и сушку сгущенной сыворотки, перед сгущением в молочной сыворотке проводят изомеризацию лактозы путем введения в нее щелочи до достижения pH 10,5 11,5 при температуре 65-75°C и термостатировании в течение 15 25 мин с последующей нейтрализацией кислой сывороткой.
Недостатком данного способа является ухудшение органолептических показателей вследствие повышенного содержания минеральных веществ и значительного образования побочных продуктов реакции изомеризации (меланоидинов, продуктов щелочного гидролиза сахаридов, сахариновых кислот).
Ближайшим техническим решением к заявленному является способ производства сухой молочной сыворотки [Патент РФ №2314701 Способ производства сухой молочной сыворотки. Опубл. 20.01.2008. бюл. №2], предусматривающий сбор, резервирование молочной сыворотки, пастеризацию сепарирование, охлаждение, изомеризацию лактозы в лактулозу, нейтрализацию кислой сывороткой, сгущение и сушку. При этом изомеризация осуществляется с помощью анионообменной смолы марки АВ-17-8 чс при температуре 20-50°C, соотношении смола: сыворотка 1:3-1:5 до pH 11,0±0,7 с последующим нагреванием до 50-80°C и выдержкой 30-60 мин.
Недостатком данного способа является дороговизна процесса, необходимость регенерации анионообменной смолы, что является трудоемким и дорогостоящим процессом, а также недостаточное удаление минеральных солей в основном катионов, что влияет на органолептические и физико-химические показатели.
Технический результат изобретения заключается в применении процесса электродиализа для удаления минеральных веществ (анионов и катионов), регулирования свойств сыворотки - уменьшения содержания кислот и удаления реагентов после процесса изомеризации лактозы в лактулозу, а также мембранной обработки сыворотки с целью раздельной деминерализации и изомеризации ультрафильтрата от концентрата сывороточных белков с последующим смешением. Тем самым увеличивается выход лактулозы, улучшаются органолептические и физико-химические показатели сыворотки.
Технический результат достигается тем, что проводят процесс деминерализации молочной сыворотки любого вида с помощью электродиализной установки, позволяющей достичь уровня деминерализации (УД) до 90% и снижения кислотности, в два этапа: до процесса изомеризации лактозы в лактулозу до УД 30-70% и после процесса изомеризации до УД 50-90%. При этом деминерализации подвергают натуральную и сгущенную (СВ от 5,0% до 25%) молочную сыворотку и/или ультрафильтрат, предварительно полученный из молочной сыворотки с применением мембранных методов. При необходимости увеличения уровня деминерализации до 95% сыворотку с уровнем деминерализации 50-90% подвергают обработке на ионообменных смолах при стандартных режимах. В зависимости от вида молочной сыворотки и качества сырья возможно не проводить 1-ый этап деминерализации.
Способ основан на использовании процесса электродиализа для удаления минеральных веществ, молочной кислоты, применяемых в процессе изомеризации реагентов, а следовательно для регулирования pH сырья, улучшения органолептических и физико-химических показателей, улучшения последующих процессов сгущения и сушки. А также на раздельной обработке ультрафильтрата молочной сыворотки от концентрата сывороточных белков, полученных с применением мембранных методов. Ультрафильтрат подвергают электродиализной обработке, затем проводят изомеризацию лактозы в лактулозу, электродиализную обработку и смешивают с концентратом сывороточных белков, при этом увеличивается выход лактулозы, и улучшаются органолептические характеристики сыворотки, за счет предотвращения побочных реакций меланоидинообразования, гидролиза белков, гидролиза и окисления Сахаров. Допускается не проводить 1-ый этап деминерализации в зависимости от вида и качества молочной сыворотки. При необходимости получения продукта с УД 95% возможно применение обработки на ионообменных смолах.
Обработке на ионообменных смолах подвергается уже частично деминерализованная молочной сыворотка или ультрафильтрат с УД 30-70%, что значительно интенсифицирует процесс ионного обмена. Сочетание электродиализной обработки и ионного обмена позволяет значительно снизить затраты на оба процесса, т.к. электродиализ проводится максимально до уровня 70%, а ионный обмен применяетя для уже частично деминерализованной и очищенной от химических реагентов и примесей (образовавшихся в результате изомеризации) сыворотки, что значительно ускоряет и облегчает процесс ионного обмена.
Процесс проводят следующим образом. Молочную сыворотку резервируют, затем пастеризуют и охлаждают. Предварительно сыворотку очищают от молочного жира и белка любым известным способом (сепарирование, фильтрование). Далее сыворотку доводят до необходимого уровня СВ (не более 25%) любым известным способом (выпаривание под вакуумом, мембранная обработка) и в зависимости от вида и качества, а также производственной необходимости, сыворотку подвергают 1-му этапу деминерализации на электродиализной установке до УД 30-70% при температуре 5-50°C. Проводят изомеризацию лактозы в лактулозу с помощью щелочного реагента (гидроокиси щелочных и/или щелочноземельных металлов) до pH 10,0±1,5 при температуре 60-80°C с выдержкой 5-30 мин, затем, обработанную таким образом, сыворотку раскисляют кислой молочной сывороткой (кислотность 100-200°Т) или кислотным реагентом (органические и/или неорганические кислоты) до pH 4-7. После изомеризации сыворотку вновь подвергают 2-му этапу электродиализной обработки до УД 50-90% для удаления оставшихся минеральных веществ и внесенных реагентов. Далее, при необходимости производства сгущенного или сухого готового продукта, изомеризованную молочную сыворотку сгущают до содержания СВ 40-60% любым известным способом и сушат на распылительной сушилке до массовой доли СВ 98%. При производстве сыворотки из смеси ультрафильтрата и концентрата сывороточных белков, проводят мембранную обработку молочной сыворотки до массовой доли белков в КСБ от 20 до 85% в пересчете на сухое вещество, КСБ резервируют, а ультрафильтрат подвергают электродиализной обработке до УД 30-70% при температуре 5-50°C, затем проводят изомеризацию также как молочной сыворотки (см. выше) и повторно деминерализуют до УД 70-90% при температуре 5-50°C. Для ультрафильтрата 1-й этап деминерализации можно не проводить. Изомеризованный и деминерализованный ультрафильтрат смешивают с КСБ, сгущают и сушат также, как описано выше.
Полученный продукт обладает бифидогенными свойствами, имеет улучшенные органолептические и физико-химические показатели (таблица 1). По органолептическим показателям молочная сыворотка отличается от аналогов сладковатым, но характерным для сыворотки вкусом и запахом, молочно-кремовым цветом и представляет собой мелкодисперсный порошок хорошо растворимый в воде. По физико-химическим показателям полученная молочная сыворотка с содержанием СВ 98% имеет следующие данные: массовая доля лактулозы - 10-40% (аналог - 7-11%), массовая доля лактозы - 36-69,5% (аналог - 55-59%), массовая доля других углеводов, не более - 7% (аналог - 12%), массовая доля минеральных веществ - 0,5-4% (аналог - 8%).
Таблица 1
Сравнительная характеристика предлагаемого изобретения и существующих аналогов.
Наименование характеристики
Сухая молочная сыворотка (существующий аналог)
Молочная сыворотка с бифидогенными свойствами (предлагаемое изобретение)
Массовая доля СВ, %
96
98
Массовая доля жира, %, не более
1,0
1,0
Массовая доля белка, %, не менее
9
10
Массовая доля лактулозы, %
7-11
10-40
Массовая доля лактозы, %
55-59
36-69,5
Массовая доля других углеводов, %, не более
12
7
Массовая доля минеральных веществ, %
8
0,5-4
Вкус и запах
Свойственные молочной сыворотке, имеется легкий щелочной привкус. Вкус сладковато-солоноватый
Чистые, свойственные молочной сыворотке, без посторонних привкусов и запахов. Слегка сладковатый вкус
Цвет
Коричневато-желтый
Молочно-кремовый
Консистенция
Мелкодисперсный порошок у удовлетворительно растворимый в воде
Мелкодисперсный порошок, хорошо растворимый в воде
Конечный продукт - молочная сыворотка с бифидогенными свойствами - может быть произведен с различным содержанием СВ 5,0-98% в зависимости от целевого назначения продукта, необходимости его длительного или кратковременного хранения, транспортировки или дальнейшего использования в технологии функциональных продуктов.
Нижний предел массовой доли СВ в сыворотке 5,0% обусловлен естественным содержанием СВ в используемом сырье. Сгущение сыворотки до массовой доли СВ выше 25% нецелесообразно из-за снижения интенсивности процесса электродиализа. Нижний предел УД первого этапа электродиализной обработки обусловлен минимальной необходимостью удаления минеральных веществ и кислоты, позволяющей эффективно провести последующий процесс изомеризации. В зависимости от вида и качества сыворотки (обработка несоленой сыворотки с кислотностью не более 70°Т) 1-й этап деминерализации можно не проводить с целью экономии энергетических ресурсов. Проведение деминерализации до уровня 70% на первом этапе ограничено достижением требуемых органолептических и физико-химических характеристик и нецелесообразностью энергозатрат на повышение УД. Температура деминерализации 5°С обусловлена интенсивность протекания процесса, но при увеличении свыше 50°С может оказывать отрицательное влияние на ионообменные мембраны электродиализной установки и ухудшать процесс. УД на втором этапе должен быть не менее 50%, что обусловлено необходимостью более полного удаления минералов и применяемых для изомеризации реагентов, для достижения требуемых органолептических и физико-химических показателей молочной сыворотки.
Что касается процесса изомеризации лактозы в лактулозу, то требуемые значения pH получены экспериментально и ограниченны нижним пределом 8,5, ниже которого процесс изомеризации протекает незначительно или полностью прекращается, и верхним пределом 11,5, выше которого интенсивность процесса увеличивается незначительно, а внесение большего количества реагента нежелательно. Температура изомеризации обусловлена тем, что при температуре ниже 60°С процесс изомеризации либо вообще не происходит, либо происходит незначительно, а при температуре выше 80°С происходит значительное накопление побочных продуктов реакции меланоидинообразования, гидролиза и окисления сахаров.
Молочная сыворотка, полученная описанным выше способом, обладает бифидогенными свойствами, улучшенными органолептическими и физико-химическими показателями, характеризуется низким содержанием минеральных солей и побочных продуктов процесса изомеризации, что обусловлено применением процесса электродиализа и раздельной обработкой ультрафильтрата и КСБ, полученных мембранным методом из сыворотки с последующим их смешением.
Пример 1. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,8%, жира - 0,2%, лактозы - 4,3%, очищают от молочного жира и казеиновой пыли любым известным способом, пастеризуют при стандартных для молочной сыворотки режимах в зависимости от ее вида. Далее проводят изомеризацию лактозы в лактулозу внесением щелочного реагента (гидроокиси щелочных и/или щелочноземельных металлов) до pH 10,0, при температуре 70°С с выдержкой 10-15 мин. После этого изомеризованную сыворотку нейтрализуют кислой сывороткой (100-200°Т) или кислотой (молочная, лимонная, соляная) до pH 6,0, охлаждают до температуры 10°С и деминерализуют на электродиализной установке до УД 70%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 6%, лактулозы 1,42%.
Пример 2. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,9%, жира - 0,2%, лактозы - 4,2%, очищают от молочного жира и казеиновой пыли любым известным способом, пастеризуют при стандартных для молочной сыворотки режимах в зависимости от вида сыворотки. Далее проводят изомеризацию лактозы в лактулозу внесением щелочного реагента (гидроокиси щелочных и/или щелочноземельных металлов) до pH 11,0, при температуре 80°С с выдержкой 20-30 мин. После этого изомеризованную сыворотку нейтрализуют кислой сывороткой до pH 7,0, охлаждают до температуры 10°С и деминерализуют на электродиализной установке до УД 70%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,8%, лактулозы 2,08%.
Пример 3. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,9%, жира - 0,2%, лактозы - 4,3%, очищают от молочного жира и казеиновой пыли любым известным способом, пастеризуют при стандартных для молочной сыворотки режимах в зависимости от вида сыворотки. Далее проводят изомеризацию лактозы в лактулозу внесением щелочного реагента (гидроокиси щелочных и/или щелочноземельных металлов) до pH 9,0, при температуре 60°С с выдержкой 5-10 мин. После этого изомеризованную сыворотку нейтрализуют кислой сывороткой до pH 4,0, охлаждают до температуры 40°С и деминерализуют на электродиализной установке до УД 70%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,8%, лактулозы 0,55%.
Пример 4. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,9%, жира - 0,2%, лактозы - 4,2%, подвергают обработке по примерам 1-3, только деминерализацию проводят до УД 50%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,8-6,0%, лактулозы 0,5-1,98%.
Пример 5. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,8%, жира - 0,2%, лактозы - 4,2%, подвергают обработке по примерам 1-3, только деминерализацию проводят до УД 90%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,8-6,0%, лактулозы 0,64-2,14%.
Пример 6. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,9%, жира - 0,2%, лактозы - 4,2%, подвергают обработке по примерам. 1-5, только перед изомеризацией и деминерализацией сыворотку сгущают любым известным способом (вакуумным выпариванием, мембранной обработкой) до СВ не более 25%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 23,5-24,2%, лактулозы 1,9-8,86%.
Пример 7. Обработку сыворотки проводят аналогично примерам 1-6, только деминерализацию осуществляют в два этапа: до и после изомеризации. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 22,5-23,8%, лактулозы 2,15-9,29%.
Пример 8. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,8%, жира - 0,2%, лактозы - 4,3%, очищают от молочного жира и казеиновой пыли любым известным способом, пастеризуют при стандартных для молочной сыворотки режимах в зависимости от ее вида. Далее сыворотку деминерализуют методом электродиализа при температуре 10°С до уровня 70% и подвергают мембранной обработке при стандартных условиях с целью получения ультрафильтрата и концентрата сывороточных белков. КСБ резервируют, а ультрафильтрат подвергают изомеризации и электродиализной обработке аналогично примерам 1-5, затем смешивают с КСБ. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,8%, лактулозы 0,64-2,1%.
Пример 9. Обработку сыворотки проводят аналогично примеру 8, только перед получением ультрафильтрата и КСБ сыворотку подвергают электродиализной обработке при температуре 40°С до уровня деминерализации 50%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,7%, лактулозы 0,68-2,23%.
Пример 10. Обработку сыворотки проводят аналогично примеру 8, только перед получением ультрафильтрата и КСБ сыворотку подвергают электродиализной обработке при температуре 10°С до уровня деминерализации 90%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,7%, лактулозы 0,6-2,16%.
Пример 11. Обработку сыворотки проводят аналогично примерам 8-10, только сыворотку перед деминерализацией и мембранной обработкой сгущают любым известным способом (вакуумное выпаривание, мембранная обработка) до СВ не более 25%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 23,7-24,2%, лактулозы 2,05-8,96%.
Пример 12. Обработку сыворотки проводят аналогично примерам 1-12, только для повышения уровня деминерализации конечного продукта до 95% применяют ионообменную обработку на катионообменных и анионообменных смолах при стандартных режимах. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,7-24,2%, лактулозы 0,55-9,37%.
Пример 13. 100 л молочной сыворотки состава: белка - 0,9%, жира - 0,2%, лактозы - 4,3%, очищают от молочного жира и казеиновой пыли любым известным способом, пастеризуют при стандартных для молочной сыворотки режимах в зависимости от ее вида. Сыворотку подвергают мембранной обработке при стандартных условиях с целью получения ультрафильтрата и концентрата сывороточных белков. КСБ резервируют, а ультрафильтрат подвергают изомеризации и электродиализной обработке аналогично примерам 1-5, затем смешивают с КСБ. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 5,86%, лактулозы 0,63-2,08%.
Пример 14. Обработку сыворотки проводят аналогично примеру 13, только перед получением ультрафильтрата и КСБ сыворотку сгущают любым известным способом (вакуумное выпаривание, мембранная обработка) до СВ не более 25%. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 23,88%, лактулозы 2,3-8,68%.
Пример 15. Обработку сыворотки проводят аналогично примерам 1-14, только конечным процессом получения готового продукта является процесс сгущения сыворотки до содержания СВ 40-60% на вакуум-выпарных установках при стандартных режимах. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 40-60%, лактулозы от 3,65-14,9% при 40% СВ до 5,4-23,1% при 60% СВ.
Пример 16. Обработку сыворотки проводят аналогично примеру 15, только конечным процессом получения готового продукта является процесс сушки сгущенной сыворотки до содержания СВ 98% на распылительных сушилках при стандартных режимах. Готовый продукт имеет следующие показатели: массовая доля СВ 98%, лактулозы 9,98-40%.