Материал: Мембранные способы переработки молочного сырья
УФ используют для стандартизации молока по белку при производстве сыра,
творога и сухих продуктов, для производства свежего сыра, концентрирования
белка и декальцинирования пермеата, снижения концентрации лактозы в молоке
(рис. 3)
Регулирование концентрации белка
Нормализация уровня белка в молоке. УФ исключает необходимость внесения сухого молока или других белковых добавок. Молоко, обогащенное собственным нативным белком, имеет лучший вкус и отлично подходит для производства кисломолочных продуктов.
Предварительное концентрирование молока в традиционной технологии сыроделия. Такая технологическая операция способствует оптимизации работы оборудования, увеличению выхода готового продукта за счет снижения потерь белка и сокращения количества сыворотки, позволяет компенсировать влияние сезонного колебания содержания белка в молоке.
Получение КСБ. В результате УФ обработки различных видов сыворотки (подсырная, творожная, казеиновая) или пермеата после микрофильтрации молока получают концентрат сывороточного белка. В данном процессе могут применяться как классическая технология УФ, так и диафильтрация (повторное концентрирование с предварительным разбавлением ретентата умягченной водой).
Пермеат. Побочным продуктом УФ обезжиренного молока является пермеат: он идеально подходит для нормализации питьевого молока по белку, восстановления сухих молочных продуктов. Кроме того, пермеат - отличная основа для получения различных освежающих напитков: прозрачных «тихих» и газированных, сокосодержащих и ароматизированных, а также для производства лактозы и ее производных.
Декальцинирование. При производстве лактозы значительное внимание уделяется очистке раствора от солей кальция. УФ применяется в качестве основного метода для декальцинирования пермеата, предварительно подсгущенного на установке обратного осмоса или, что более предпочтительно, на НФ установке. Фосфат кальция является нерастворимым соединением, поэтому легко удаляется в ходе УФ, следующей за процессом термического осаждения. Эта технология гарантирует получение высококачественной лактозы с низким содержанием минеральных солей, увеличение выхода готового продукта и сокращение времени работы вакуум-выпарного оборудования. Полученный концентрат может быть очищен до отдельного продукта-натурального фосфата кальция.
Свежие ферментированные продукты. УФ широко используется при производстве свежих сыров: цельное молоко концентрируют до 34-40 % сухих веществ. В пастеризованный ретентат (концентрат) вносят закваску и сычужный фермент, затем фасуют. Процесс формирования структуры и органолептических свойств сыра происходит непосредственно в упаковке. Технология довольно проста, а выход сыра увеличивается на 20 % по сравнению с традиционным способом производства .
Концентрирование белков в обезжиренном молоке без увеличения лактозы и солей, позволяет нормализовать содержание в молоке белка и жира. Концентрат с завышенным содержанием белка используют для получения, сухого молока, обезжиренного молока сыра и творога. Содержащуюся в фильтрате лактозу концентрируют способом обратного осмоса и высушивают. УФ применяют также для концентрирования обезжиренного молока, к примеру, в производстве сыров, позволяет повысить выход готового продукта на 15 - 20% [4].
Направления использования продуктов УФ-обработки и достоинства этого метода приведены в таблице 2.1, 2.2
Направления использования ультрафильтрата, полученного при УФ-обработке молочных продуктов.
|
Вид обработки |
Область применения |
Достоинства метода |
|
УФ-обработка цельного и обезжиренного молока, пахты и подсырной сыворотки |
Производство напитков и сиропа Изготовление молочного сахара Производство кондитерских и хлебобулочных изделий |
Использование компонентов молока для выпуска продуктов питания при экономном расходовании энергоресурсов. Совпадение максимума в объемах получения сыворотки с периодом наибольшего потребления напитков Хорошая степень отделения сыворотки от белков и других несахаров и в результате высокое качество готового продукта Рациональное использование углеводов молока |
|
УФ-обработка творожной сыворотки |
Изготовление глюкозо-галактозных сиропов с использованием иммобилизованной бета-галактозидазы Производство напитков и сиропов |
Замена в мороженом, сгущенном молоке и других пищевых продуктах сахарозы, снижение вероятности появления кариеса зубов у потребителей. Удешевление готовой продукции Использование компонентов молока для выпуска продуктов питания при экономном расходовании энергоресурсов |
Направления использования концентрата, полученного при УФ-обработке молочного сырья
|
Вид обработки |
Область применения |
Достоинства метода |
|
УФ-обработка цельного молока при факторе концентрации менее 2 |
Производство сычужных сыров по традиционной технологии Производство кисломолочных продуктов |
Увеличение выхода готового продукта на 1-3 %.Экономия молоко свертывающего фермента 20-80%. Стабилизация технологических процессов изготовления сыра и качества зрелых сыров. Улучшение консистенции и предотвращение выделения сыворотки. Повышение пищевой ценности |
|
УФ-обработка цельного и обезжиренного молока при факторе концентрации более 2 |
Производство творога, мягких и рассольных сыров |
Увеличение выхода на 8-20%. Снижение расхода молоко свертывающего фермента. Получение менее кислой сыворотки |
|
УФ-обработка сыворотки |
Добавление к цельному питьевому молоку Введение в состав кисломолочных продуктов Производство сметаны Выпуск плавленых сыров. Приготовление напитков, жидких основ и сухих концентратов для напитков. Производство заменителей цельного молока Производство майонеза. Использование при производстве кондитерских и хлебобулочных изделий |
Повышение биологической и пищевой ценности питьевого молока. Приближение по составу к женскому молоку. Стабилизация белковой системы, связывание водной фазы. Повышение биологической и пищевой ценности. Достижение плотной консистенции при пониженной жирности. Повышение потребительской ценности Улучшение консистенции и вкуса. Использование компонентов сыворотки в пищевых целях. Обогащение вкуса напитков Высвобождение ресурсов обезжиренного молока для производства продуктов питания Улучшение качества. Рациональное использование компонентов молока. Повышение усвояемости белковой части хлебобулочных изделий |
|
УФ-обработка пахты |
Производство сметаны. Изготовление низкокалорийных разновидностей сливочного масла |
Улучшение консистенции и вкуса. Сохранение вкусового букета сливочного масла традиционного состава |
Нанофильтрация
Нанофильтрация (НФ) - процесс, промежуточный между УФ и обратным осмосом. Данный процесс позволяет, как сконцентрировать молочное сырье, так и частично выделить из него минеральные вещества, т. е. произвести частичную деминерализацию до 30 %.
Концентрация молекул и макромолекул молочного сырья - происходит при
пропускании его под давлением через полупроницаемые мембраны. Размеры пор данных
мембран составляют от 0,01 до 0,001 мкм, поэтому на них концентрируются
молочный жир, казеиновые мицеллы и сывороточные белки, а также лактоза и
частично минеральные соли; размер частиц до 0,001 мкм и молекулярная масса до
1000. Чаще только используют НФ, после УФ молочного сырья для частичного
обессоливания (деминерализации) подсырной сыворотки, а также частичной
деминерализации фильтрата, полученного после ультрафильтрации. НФ проводят под
давлением 2-4 МПа и температуре 50 °С.
Рисунок 4. Схема переработки молочной сыворотки с использованием
технологий НФ или обратного осмоса
В молочной промышленности НФ используют для получения частично деминерализованной (уровень деминерализации до 30 %) концентрированной молочной сыворотки. Ретентат включает часть минеральных веществ, белковые и углеводные компоненты, а пермеат представляет собой водный раствор солей низкой концентрации. Объединение частичной деминерализации и концентрирования в одной технологии имеет широкий спектр преимуществ: уменьшение объемов сыворотки или пермеата и за счет этого сокращение транспортных расходов; повышение органолептических показателей сухой сыворотки за счет улучшения кристаллизации и сушки; улучшение процессов кристаллизации и отделения кристаллов лактозы; повышение качества готового продукта[2]. Ретентат используют при производстве концентратов, сгущенных и сухих продуктов, а пермеат может быть использован на технологические нужды предприятия (рис. 4).
Как и при обратном осмосе, механизмом переноса при НФ является диффузия. НФ мембраны очень схожи по химии поверхностных свойств с обратноосмотическими, но допускают диффузию не только воды, но и некоторых ионов, в основном, одновалентных (например, натрия и хлора). Более крупные ионы, включая двух- и многовалентные, и более сложные молекулы задерживаются.
Поскольку одновалентные ионы диффундируют через НФ мембрану вместе с водой, перепад осмотического давления на мембране меньше, чем при обратном осмосе, поэтому НФ обычно проводится под меньшим давлением.
Типичные применения НФ в пищевой промышленности:
. Опреснение пищевых и молочных продуктов, напитков, побочных продуктов.
. Частичное опреснение сыворотки, УФ пермеата или ретентата.
. Снижение цветности и обработка пищевых продуктов.
. Концентрирование пищевых и молочных продуктов, напитков, побочных продуктов.
. Концентрирование побочных продуктов брожения.
Компактные, удобные в управлении и надежные в работе НФ-установки позволяют осуществлять одновременно концентрирование и деминерализацию сыворотки. На выходе, в зависимости от способа реализации НФ-процесса, получают сывороточные концентраты с массовой долей сухих веществ в диапазоне 16-35% и уровнем деминерализации 20-70%. Хорошие органолептические показатели сывороточных НФ-концентратов позволяют хорошо использовать их как в составе традиционных продуктов питания, в частности молочных, так и при разработке других пищевых композиций. За границей, в странах с развитой молочной промышленностью, сывороточные концентраты, полученные с применением мембранных технологий, широко используются в производстве мороженого, кисломолочных напитков, сливочных сыров, майонезов, кондитерских изделий и т.д., а также применяются в составе детских, диетических и специальных продуктов с повышенной биологической и физиологической ценностью.
В России, особенно важным является использование НФ в переработке творожной сыворотки, составляющей более 50% всей сыворотки, производимой отечественной молочной отраслью. В 2010 году, при техническом содействии ООО «Альтаир» (г.Владимир) в Вологодской государственной молочнохозяйственной академии в результате проведения системных исследований была разработана оригинальная технология концентрирования, деминерализации и раскисления творожной сыворотки с помощью НФ.
Полученные сывороточные НФ-концентраты обладают хорошими органолептическими показателями, что обеспечивает возможность их включения в разнообразные технологические схемы получения как традиционных, так и оригинальных пищевых продуктов. Расчеты показывают, что в зависимости от вида конечного продукта применение НФ-обработки творожной сыворотки позволяет получать от 4 до 6 тыс. руб. дополнительной прибыли в пересчете на 1 т натуральной сыворотки [3].
В целом, внедрение нанотехнологий в молочную отрасль России позволит:
− исключить слив сыворотки в окружающую среду, что понизит общий уровень экологической опасности в стране;
− максимально полно использовать все составные части молока - уникального продукта, созданного природой;
− дать возможность небольшим молочным заводам России получать дополнительную прибыль, необходимую для развития, а зачастую и для выживания.
В настоящее время в России сложилась благоприятная ситуация для быстрого и усиленного внедрения НФ-технологий переработки молочной сыворотки. С одной стороны, из-за дефицита резко повысились цены на молоко заготовляемое, а, следовательно, и на молочные продукты. Поэтому, включение в состав последних дешевых и качественных сывороточных НФ-концентратов может принести значительную прибыль. С другой стороны, ряд отечественных машиностроительных организаций успешно освоили производство современного баромембранного оборудования, в том числе и НФ-установок, не уступающих по качеству зарубежным аналогам, но значительно более дешевых [2].
Разделить ВМС и НМС трудно, деление это часто условно, поэтому нельзя четко разграничить процесс ультрафильтрации и обратного осмоса. В обоих случаях требуется преодолевать осмотическое давление раствора, т. к. растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворимого вещества. Практически обратный осмос сводится к сгущению раствора. Преимущество его - возможность проведения процесса при любых температурах, меньшие энергетические затраты и расход тепловой энергии. Это особенно важно при выработке пищевых продуктов, где выпаривание при повышенных температурах приводит к нежелательным последствиям.
Обратноосмотическая обработка молока и молочных продуктов в основном используется для концентрирования, однако, возможны и другие области применения. Предварительное удаление половины водной фазы молока и сыворотки на обратноосмотической установке позволяет в 14 раз снизить энергозатраты и в 2,5-3,0 раза увеличить производительность вакуум-выпарных установок по выпуску сгущенных молочных продуктов.
Применение агрегатов с мембранами 3-го поколения для изготовления жидких концентратов обычной и гидролизованной сыворотки целесообразно на заводах малой мощности и предприятиях с недостаточным обеспечением паром. В дальнейшем эти концентраты транспортируют на специализированные заводы [7].
Применение обратного осмоса в пищевой промышленности довольно распространено и включает в себя обработку мясных побочных продуктов, жиров и масел, молока, напитков, а также фруктовых и овощных соков. Обратноосмотическая технология используется либо самостоятельно, либо в сочетании с микрофильтрацией, УФ и/или выпариванием для концентрации, очищения или восстановления ценных компонентов из пищевых растворов.
Одно из основных преимуществ обратного осмоса при использовании в пищевой промышленности - это уменьшение затрат из-за уменьшения расхода энергии или полное устранение энергоемкого процесса выпаривания.
Энергия, потребляемая технологией обратного осмоса, составляет примерно 110 кДж/кг воды. С другой стороны, наиболее эффективный выпариватель для пищевой промышленности потребляет 700 кДж/кг.
Существуют и другие преимущества обратного осмоса:
· способность производить сепарацию без теплового воздействия, сохраняя качество продукта;
· уменьшение объема потребляемой воды - благодаря повторному использованию отработанной воды;
· потенциал системы больше - благодаря возможности получения новых продуктов;
· уменьшение объема отходов;
· сравнительно небольшое занимаемое пространство и невысокие капиталовложения из-за устранения необходимости установки парогенератора.
Недостатки заключаются в:
· необходимости затрачивать время и средства для подтверждения безопасности продукции и получения разрешения от управления по пище и лекарствам на использование новых мембранных материалов в пищевой промышленности;
· отсутствие определенных сведений об износостойкости мембран, продолжительности срока эффективной эксплуатации и стоимости их замены;
· чувствительность к уровню рН и химическая инертность;
· ограничение величины рабочего давления в определенных конструкциях;
· проблемы загрязнения мембран при переработке определенных жидкостей.
· Постоянные улучшения обратноосмотических мембран и развитие передового технического оборудования привели к широкому применению технологии обратного осмоса в молочной промышленности [1,2].
Особые случаи применения обратного осмоса в молочной промышленности представляют собой концентрацию сыворотки при приготовлении сыра, концентрацию молока, обессоливание сыворотки.
Для концентрации сыворотки применяют обратный осмос в сочетании с другими процессами. Пермеат сыворотки после УФ используют для производства сывороточного протеина, лактозы, а отходы содержат сниженное количество биологического кислорода.