Через мембранное сито
Несмотря на то, что выбор отечественной молочной продукции достаточно широк и потребителям постоянно предлагаются все новые и новые ее виды, проблема полной переработки сырья в отрасли по-прежнему остается актуальной. Свой вклад в ее решение внесла старший научный сотрудник лаборатории оборудования и технологий молочноконсервных производств Института мясо-молочной промышленности НАН Беларуси кандидат технических наук Инна Викторовна Миклух. За разработку новых перспективных технологий переработки молока с максимальным использованием белка – одного из самых ценных его компонентов – исследователю была назначена президентская стипендия на 2019 год. Ценные компоненты
Считается, что раньше к молоку относились с бóльшим пиететом. Об этом свидетельствуют эпитеты, которыми его награждали: «источник жизни», «белая кровь». Говорили о молоке и как об уникальном продукте, жизненно необходимом для нашего организма, – «и еда, и питье». Правда, сегодня поборники безбелковой диеты, да и некоторые исследователи, эти слова уже подвергают критике. Возможно, в чем-то они и правы, ведь исследованы далеко не все свойства более чем 400 макро- и микроэлементов молока.
Молоко и молочные продукты – одни из основных продуктов питания населения Беларуси. Среднегодовое потребление в пересчете на молоко составляет около 245 кг на душу населения. Калорийность молока невысока: в среднем 65–66 ккал на 100 г продукта, однако по пищевой ценности оно может заменить любой продукт. Все необходимые для питания человека вещества – белки, жиры, углеводы – находятся в нем в сбалансированных соотношениях и легко усваиваются организмом. Кроме того, в молоке много ферментов, витаминов, минеральных веществ и других важных элементов питания, необходимых для обеспечения нормального обмена веществ.
– В молоке особую ценность представляют белки, среди которых выделяют две главные группы: казеины и сывороточные белки, – отмечает сотрудник лаборатории оборудования и технологий молочно-консервных производств Института мясо-молочной промышленности НАН Беларуси кандидат технических наук Инна Миклух. – Общее содержание этих высокомолекулярных соединений от 2,9 до 4 %, степень усвоения человеческим организмом составляет 96–98 %. По своему строению они весьма разнообразны, но основная часть представлена: казеином – 2,6 %, глобулином – 0,5 %, альбумином – 0,1 %. Образующиеся в результате расщепления белков аминокислоты идут на построение клеток организма, ферментов, защитных тел, гормонов и т. д. Сывороточные белки молока содержат лизин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, валин, которые считают незаменимыми.
Отметим, что важную энергетическую функцию в питании человека играет и молочный жир. Несмотря на недостаточное количество полиненасыщенных жирных кислот, присутствие в значительном количестве фосфолипидов и витаминов (A, D, Е) повышает его биологическую ценность. Притом, по сравнению с другими жирами, он лучше усваивается организмом человека. Примечательно, что молочный жир в молоке находится в эмульгированном состоянии – в виде мелких жировых шариков. В 1 куб. см молока их насчитывается 15 млрд. К слову, технологи молочной промышленности утверждают, что, благодаря молочному
жиру, по большому счету и формируется вкус молочного продукта.
Не менее ценен и так называемый молочный сахар – лактоза. Этот углевод используется организмом в качестве источника энергии. Вдобавок, поступление лактозы в кишечник человека способствует развитию полезной микрофлоры, которая, образуя молочную кислоту, подавляет гнилостные процессы.
Следует сказать и о богатстве минеральных компонентов молока. Прежде всего, о высоком содержании солей кальция и фосфора, которые нужны организму для формирования костной ткани, восстановления крови, деятельности мозга и т. д. В молоке содержатся такие важные макроэлементы, как калий, натрий, магний, хлор, а еще микроэлементы – цинк, кобальт, марганец, медь, железо, йод, которые участвуют в построении ферментов, гормонов и витаминов. Так, суточная потребность в относительно дефицитном витамине удовлетворяется на 42–50 % за счет молока и молочных продуктов. Основным же источником витамина А в питании человека является сливочное масло.
Кефир и кисломолочные напитки, сыры, творог, сливки… Сегодня все чаще говорят о том, что натуральные молочные продукты уступили свою приоритетную нишу на рынке. Теперь самым быстрорастущим сегментом пищевой промышленности в мире являются функциональные продукты питания и напитки. Популярны обезжиренное молоко и сыворотки для диетического питания с улучшенными вкусовыми свойствами, обогащенные натуральными добавками. Востребованы модифицированные продукты с заменой отдельных компонентов молока на растительные, те же сырные, сливочные пасты, молочные консервы и т. д., молочные изделия, обогащенные витаминами, в частности b-каротином, поливитаминными премиксами и биологически активными добавками. Набирает обороты реализация специализированных продуктов и напитков для вегетарианцев, для диабетического питания, для спортсменов.
Чтобы предложить покупателям такое разнообразие, технологам приходится потрудиться, апробируя новые способы переработки молока. Например, согласно современным технологиям, творог и сыры производят из цельного и/или частично обезжиренного молока (нормализованной смеси по белку и жиру) и/или из практически полностью обезжиренного молока, из которого удаляют около половины сухих веществ в виде молочной сыворотки.
Казалось бы, богатый ассортимент молочных продуктов – свидетельство того, что практически все сырье перерабатывается. Однако это далеко не так.
– Молочное сырье – одна из сложнейших биологических полидисперсных систем, к тому же это скоропортящийся продукт, который необходимо за минимальное время обработать, максимально сохранив биологическую ценность и качество, – отметила И. Миклух. – Производство молочных продуктов по классическим технологиям не позволяет полностью использовать все составляющие молока, при этом неизбежным является образование сложного в переработке вторичного молочного сырья. Потому особый интерес представляют мембранные
методы обработки – микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос и электродиализ, которые позволяют концентрировать и фракционировать составные части молочного сырья, сохраняя их технологические свойства, пищевую и биологическую ценность, и получать новые продукты с заданным химическим составом и свойствами.
С помощью ультрафильтрации
На новых способах фильтрации молочного сырья Инна Миклух впервые сконцентрировала свое внимание несколько лет назад. Тогда под руководством заведующего лабораторией оборудования и технологий молочно-консервных производств Института мясо-молочной промышленности НАН Беларуси доктора технических наук О.В. Дымара она начала работать над применением мембранных методов обработки обезжиренного молока и получения новой молочной продукции.
– Мне, можно сказать повезло, причем неоднократно, – рассказала Инна Миклух. – Сначала в 2008 году с распределением после окончания Могилевского государственного университета продовольствия, когда меня направили в Институт мясо-молочной промышленности НАН Беларуси. А потом с талантливым руководителем лаборатории оборудования и технологий молочно-консервных производств Олегом Викторовичем Дымаром. В области разработки технологий молочного производства в Беларуси на сегодняшний день он является практически единственным доктором технических наук. Поэтому не удивительно, что ему удалось и меня вдохновить на эксперименты и создание инноваций.
По мнению самого Олега Викторовича Дымара, который разглядел в И. Миклух задатки будущего ученого, практическое изучение свойств молочных продуктов с помощью инновационных мембранных технологий предполагает наличие у молодого исследователя прежде всего таких качеств, как наблюдательность,
настойчивость, тщательность и точность проведения эксперимента, нетрадиционный подход и аналитическое мышление. Все это помогает Инне Викторовне добиваться хороших результатов в научной деятельности.
Как рассказала исследователь, по своей сути мембранная фильтрация – это процесс разделения жидкости с помощью мембран на молекулярном и ионном уровне на два потока – концентрат и пермеат. Как правило, микрофильтрация связана с выделением частиц размером от 0,05 до 10 мкм (бактерии, шарики молочного жира, мицеллы казеина) и применяется для регулирования в молоке содержания казеина или для удаления микроорганизмов. Остаток, то есть получаемый пермеат, представляет собой «идеальную сыворотку», в которой сохранены многие свойства сывороточных белков. Так как эта «сыворотка» не подвергается тепловому воздействию, не содержит консервантов и добавок – она является высококачественным сырьем для белково-сывороточного концентрата.
При ультрафильтрации задерживаются молекулы казеина и альбумина сыворотки, то есть частицы размером от 0,001 мкм. Данный процесс используется в основном для производства белковосывороточного концентрата с содержанием белка в сухом веществе 34–85 %, а также для стандартизации содержания белка при производстве йогуртов, сухого молока, сыров. Применение этой технологии позволяет экономить сырье, закваски, электроэнергию, пар. Современные технологи используют в молочной промышленности и преимущества нанофильтрации, чтобы разделять молекулы аминокислот и молочного сахара диаметром от 0,0005 до 0,001 мкм. Таким образом, кроме концентрирования, достигается также частичная деминерализация концентрата, что облегчает дальнейшую переработку и позволяет повысить качество конечного продукта.
В результате исследований Инны Миклух на базе Института мясо-молочной промышленности НАН Беларуси впервые разработана и научно обоснована
технология производства концентрата молочного сухого белка, включающая в себя ультрафильтрацию обезжиренного молока до предельно допустимой степени концентрирования (массовая доля сухих веществ до 23 %), диафильтрацию полученного концентрата с целью увеличения содержания массовой доли белка свыше 80 % и его сушки. Новый концентрат имеет более длительные сроки хранения и, следовательно, его возможно транспортировать на дальние расстояния.
К слову, этот высококонцентрированный сухой белок может применяться и для производства продуктов спортивного питания. Получен патент на изобретение № 19896 «Продукт специализированный белковый для питания спортсменов».
В настоящее время концентрат молочного белка еще не производят в Беларуси. До выхода на рынок он должен первоначально пройти апробацию в опытных партиях на производстве. Но за рубежом уже существует его аналог, который действительно очень востребован в спортивном питании. Особенно в свете новых тенденций в мире «будущих Шварценеггеров», которые ранее вели строгий подсчет калорий и энергетического баланса, исходя из жирности продуктов, а теперь просчитывают свой рацион по белку.
Исследователю также удалось практически обосновать, что высококонцентрированный сухой белок рационально использовать для нормализации молочного сырья при изготовлении различной продукции, в том числе ферментированной – творога и йогурта.
– Новая технология отличается от традиционных, во-первых, последовательностью технологических операций – ультрафильтрация обезжиренного молока идет с последующим сквашиванием полученного концентрата, – пояснила Инна Миклух. – Во-вторых, рациональные режимы позволяют получить продукт хорошего качества с предотвращением появления привкуса горечи, возникающего при превышении установленного и рекомендуемого фактора концентрирования. При изготовлении творога из концентрата, полученного при ультрафильтрации обезжиренного молока, снижаются и расход сырья – в среднем на 16 %, и выход кислой сыворотки – в среднем на 17 %. Тогда как выход творога увеличивается в среднем на 19 %, а степень использования сывороточных белков – более чем в 3 раза. Это если сравнивать с показателями контрольного образца творога, изготовленного из обезжиренного молока, но без применения ультрафильтрации.
Кстати, за данное ноу-хау получен патент Республики Беларусь на изобретение № 20269 «Способ производства творога». Эту экономичную технологию, созданную в Институте мясо-молочной промышленности НАН Беларуси, уже взяли на вооружение белорусские молокопереработчики. В частности, она внедрена на Вилейском филиале ОАО «Молодечненский молочный комбинат», и сегодня более 80 % такого творога отправляется на экспорт.
И экономичным в плане производства, и более полезным из-за сохранения натуральных составляющих получился также йогурт, разработанный Инной Миклух вместе с коллегами из родного института. Использование ультрафильтрации позволило произвести продукт с требуемыми органолептическими,
реологическими и физико-химическими показателями.
– Нам удалось обеспечить необходимую консистенцию йогурта с предотвращением отделения сыворотки без дополнительного внесения стабилизаторов, – рассказала экспериментатор. – При массовой доле сухих веществ 12 % содержание белка в концентрате увеличивается более чем в 2 раза. Усовершенствованная технология производства йогуртов обеспечивает дополнительный доход – более 50 долларов на 1 т готовой продукции – за счет отсутствия кислой сыворотки и вовлечения фильтрата, полученного при ультрафильтрации обезжиренного молока в пищевые ресурсы.
Без сухого остатка
Более 10 лет Инна Миклух трудится в лаборатории оборудования и технологий молочно-консервных производств. За это время, как отмечает исследователь, лаборатория существенно «приросла» в основном за счет молодых специалистов, в результате сложился очень сплоченный трудовой коллектив, в котором в приоритете взаимопонимание и поддержка. Такая комфортная рабочая атмосфера очень помогает и при обсуждении новых идей, и при внедрении новинок.
По словам И. Миклух, получение президентской стипендии в значительной степени способствовало тому, что ей удалось успешно завершить эксперименты с белковыми молочными продуктами.
– Для меня как молодого исследователя, только начинающего свою научную деятельность, она послужила весомой финансовой поддержкой и стимулом, – подчеркнула ученый. – На самом деле очень важно знать, что твоя работа и идеи поддерживаются на государственном уровне, а значит, нужны твоей стране. Дальнейшую научную деятельность я планирую связать с созданием новых видов сухих молочных продуктов с пониженным содержанием белка для детей, нуждающихся в адаптированном питании. Также мне интересно производство сухих молочных продуктов с модифицированным углеводным составом. В центре исследований, безусловно, останется применение мембранных методов обработки молочного сырья и использование полученных концентратов и пермеатов. Но очевидно, что горизонты моего исследовательского поля стали значительно шире. Разумеется, многие проблемы мы будем решать вместе с моими коллегами по институту.
В своих экспериментальных исследованиях Инна Миклух уделяет большое внимание стратегически важному экспортному для Беларуси продукту, который уже давно закрепился на международных рынках, – обезжиренному сухому молоку. Технологическое решение по нормализации продукции по белку с использованием пермеата, найденное И. Миклух совместно с сотрудниками Института мясо-молочной промышленности, позволит значительно сэкономить. Дело в том, что данный экспортный товар строго нормируется по содержанию белка, которого в нем должно быть ни больше не меньше, а ровно 34 %. Вместе с тем при производстве сухого обезжиренного молока в концентрате зачастую наблюдается переизбыток белка до 36–38 % в зависимости от поступившего на завод молочного сырья. Исследователь предложила восстанавливать сывороточный пермеат, представляющий собой всегонавсего молочную сыворотку, находящуюся в жидком либо сухом виде. Его получают в процессе ультрафильтрации, а затем нормализуют ровно до 34 % по белку. Благодаря этому объем производства сухого молока увеличивается. В конечном счете использование продуктов ультрафильтрации обезжиренного молока и последующей нормализации молока и молочных продуктов по белку позволит существенно повысить выручку от реализации дополнительного объема выпущенной продукции. Расчеты показали, что при нормализации сухого обезжиренного молока сухим УФ-фильтратом дополнительная прибыль составит свыше 160 долларов на 1 т готового продукта.
Отметим, что разработанные специалистами Института мясо-молочной
промышленности НАН Беларуси новые технологии по эффективному использованию вторичных продуктов – молочной сыворотки и пермеата – сегодня позволяют говорить о реальной возможности полной переработки сырья на предприятиях молочной промышленности.
Не будем забывать, что большие объемы молочной сыворотки издавна являются проблемой для всех молокопереработчиков. Как известно, при производстве 1 т сыра или творога образуется около 9 т сыворотки. При этом вред от одной тонны молочной сыворотки, попавшей в сточные воды, сравним с ущербом от 100 куб. м хозяйственно-бытовых отходов. При попадании вещества в почву происходит изменение ее кислотного состава, что ведет к изменению биобаланса и исчезновению на поврежденных участках свойственных им растений. Поэтому так важно полностью исключить экологический вред от «неверной утилизации» сыворотки. В Беларуси выполнено немало научно-исследовательских работ по созданию, совершенствованию технологических процессов и необходимого оборудования для ее переработки. На отечественных предприятиях производятся разнообразные напитки, пасты, муссы, желе, где молочная сыворотка применяется в качестве основного сырья. Но до сих пор полностью решить проблему использования сыворотки не удавалось.
– Применяя современные технологии мембранной фильтрации, мы можем использовать молоко полностью, – пояснила И. Миклух. – Вначале берем из него белок и создаем на этой основе нужный продукт. Остаток – тот же пермеат, можно применить для нормализации молочного сырья, чтобы получить еще больше готовой продукции для реализации. Этот способ использования пермеата нами предложен и обоснован. Кроме того, разработана технология производства пермеата молочного, пермеата молочного концентрированного и сгущенного и пермеата сухого.
По словам разработчиков, такие исследования по определению и установлению конкретных режимных параметров процесса переработки с использованием баромембранных (обратный осмос, нанофильтрация) и электромембранных (электродиализ) методов фильтрата пермеата, получаемого в результате ультрафильтрации обезжиренного молока, а также мелассы молочной, образующейся при производстве молочного сахара, в Беларуси проводились впервые.
В Институте мясо-молочной промышленности НАН Беларуси прорабатывают вопросы по использованию пермеата для получения безбелковых и низкобелковых продуктов. Продукция с пониженным содержанием белка может стать панацеей для больных фенилкетонурией. Но если сухое молоко с пониженным содержанием белков только еще разрабатывается, то вкусное сгущенное молоко с низким содержанием лактозы, созданное на основе сыворотки, уже пришлось по вкусу белорусским потребителям.
Такие востребованные инновации – ориентир для производителей на пути повышения конкурентоспособности молочной продукции, что сегодня особенно актуально.