Ценный состав молочной сыворотки, обусловлен не только ее основными компонентами: белки, углеводы и липиды. За последние 30–40 лет [1] значительно расширился перечень компонентов молочной сыворотки, которые отвечают критериям биологической ценности и могут быть извлечены с применением наукоемких технологий. Говоря о ценности сыворотки, подразумевают наличие в ней эссенциальных нутриентов, таких как лактоферрин, лактопероксидаза, ангиогенин, биоактивные пептиды, аминокислоты, L-карнитин, олигосахариды, микроэлементы, витамины, органические кислоты и др. минорные соединения. Несомненно, и основные фракции сывороточных белков, а также лактоза и ее производные имеют высокую биологическую и пищевую ценность.

Современные технологии позволяют извлечь данные компоненты с применением процессов сорбции-десорбции, хроматографии, мембранной фильтрации. Получаемые продукты используются в области медицины, фармацевтики, косметологии и продуктов специализированного питания. Они высоко востребованы на рынке и, вследствие небольшого количества производителей, обладают высокой добавочной стоимостью. При низком уровне конкуренции на российском рынке данные продукты могут быть выгодно реализованы производителем. Многие из этих технологий успешно работают за рубежом, однако в нашей стране их внедрение сдерживается по следующим причинам: высокая стоимость оборудования и технологий, необходимость обеспечения высокой очистки минорных компонентов сыворотки, низкое качество исходного сырья; отсутствие централизованной переработки молочной сыворотки и большие расстояния для транспортировки.

Что же можно предложить современному российскому предприятию? Принимая во внимание особенности и условия работы большинства переработчиков молока в нашей стране, наиболее перспективным представляется внедрение мембранных процессов, позволяющих концентрировать и фракционировать основные компоненты сыворотки, и, следовательно, увеличить объемы перерабатываемого сырья и спектр его использования. В результате разумных капиталовложений в необходимое оборудование для модернизации линий, отходы молочного производства превращаются в ценный для рынка продукт [2].

Мембранные процессы в зависимости от движущей силы можно разделить на баромембранные и электромембранные процессы. Принцип действия первых основан на применении давления, под действием которого раствор, проходя через полупроницаемую мембрану, разделяется на две фракции по размеру частиц: ретентат, где концентрируются крупные компоненты раствора, и пермеат, в котором остаются компоненты, способные проходить через поры мембраны. Баромембранные процессы классифицируются по размеру пор и величине давления, причем, чем меньше размер пор, тем выше давление необходимое для осуществления процесса. Различают процессы микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса.

Микрофильтрация (МФ) характеризуется наибольшим среди нижеперечисленных процессов размером пор от 0,05 до 10 мкм и используется для отделения крупных частиц от растворов. В случае переработки молочного сырья в этот диапазон попадают клетки бактерий, в том числе споры, соматические клетки, частицы жира и агломераты казеина. Поэтому МФ в молочной промышленности получила распространение в качестве метода бактериальной санации (так называемая «холодная стерилизация»), обезжиривания сырья и выделения казеина [3].

Ультрафильтрация (УФ) использует мембраны с размером пор в диапазоне 0,001 – 0,1 мкм. В этот диапазон попадают частицы казеина и сывороточных белков. В случае переработки молочной сыворотки с применением УФ можно сконцентрировать сывороточные белки или отдельные их фракции. Получают концентраты сывороточных белков (КСБ) различного качества: КСБ-35, КСБ-55, КСБ-60. Применяя процесс диафильтрации (двойной фильтрации), возможно производить изоляты сывороточных белков. Концентраты и изоляты сывороточных белков востребованы в производстве детского и спортивного питания, молочных продуктов, колбасном производстве. Полученный в процессе ультрафильтрации пермеат после технологической обработки (деминерализация, гидролиз, сгущение, сушка) может быть использован в технологии различных напитков, мороженого, молочных консервов, кондитерском и хлебобулочном производстве в качестве подслащивающего компонента и улучшающего структуру продукта ингредиента [3].

Нанофильтрация (НФ) позволяет выделить компоненты с размером от 0,0005 мкм до 0,001 мкм. В этот диапазон попадают молекулы лактозы и других сахаров молока, часть минеральных веществ и азотистых соединений (например, аминокислоты). На практике нанофильтрацию используют для концентрирования молочного сырья. В случае переработки молочной сыворотки с помощью нанофильтрации обеспечивается ее концентрирование до массовой доли сухих веществ 20–22 % с частичной деминерализацией до уровня 30 %, что способствует интенсификации и снижению энергопотребления дальнейших технологических этапов переработки сыворотки (электродиализ, сгущение, кристаллизация, сушка) [3]. Обработанная таким образом молочная сыворотка имеет улучшенные технологические свойства, легче поддается дальнейшей переработке, может подвергаться транспортировке (уменьшение объема сыворотки, а значит и затрат на транспортировку), может быть реализована другим предприятиям в виде жидких и сухих концентратов, или использоваться внутри производства в технологии молочных продуктов. Пермеат после НФ представляет собой водный раствор солей низкой концентрации и может быть беспроблемно утилизирован. Целесообразно применение процесса нанофильтрации в случае переработки различных видов пермеата, что позволяет сконцентрировать молочный сахар и провести частичную деминерализацию раствора этого компонента, а также значительно интенсифицирует этапы технологии получения лактозы различной категории качества.

Обратный осмос (ОО) характеризуется наименьшим размером пор (менее 0,0005 мкм) используемых мембран и осуществляется при высоком давлении [3]. При ОО мембраной задерживаются практически все вещества, находящиеся в сыворотке, т. е. происходит концентрирование молочной сыворотки. При этом образующийся пермеат представляет собой воду, которая может быть использована внутри предприятия на технические нужды. Концентрированная молочная сыворотка имеет меньший объем, и поэтому, как и в случае с НФ, облегчает и повышает эффективность и экономичность дальнейших технологических процессов: сгущения и сушки.

Таким образом, баромембранные процессы характеризуются низким энергопотреблением, например, за счет экономии пара, поскольку являются альтернативой вакуум-выпарному концентрированию, и осуществляются при низких температурах (8–10 °С), позволяя сохранить ряд полезных веществ молочной сыворотки в нативном состоянии [4].

Баромембранные процессы в переработке молочной сыворотки наиболее эффективны в сочетании с электромембранными процессами.

Электромембранные процессы основаны на действии электрического поля на растворы, содержащие вещества в ионной форме. Фильтрация в электромембранных процессах осуществляется посредством перемещения диссоциированных ионов через ионселективные мембраны. Наиболее эффективный электромембранный процесс – электродиализ . Он позволяет удалить из сыворотки минеральные компоненты и молочную кислоту, что особенно важно при переработке кислой молочной сыворотки [3]. Кислотность и минеральный состав сырья регулируются за счет удаления ионогенных соединений через ионообменные мембраны под действием постоянного электрического тока. Электродиализная обработка способна обеспечить уровень деминерализации сыворотки до 90 % без существенного изменения количественного состава других компонентов, входящих в состав сыворотки. Такая сыворотка хорошо подвергается процессам вакуумного сгущения, кристаллизации, сушки, имеет улучшенные технологические и органолептические показатели, и соответственно, более широкий спектр применения, в т. ч. в технологии детского питания, цельномолочной продукции, мороженого, молочных консервов, сухих смесей, кондитерском производстве и др. [4].

Предлагаемые ООО «МЕГА ПрофиЛайн» технологии электродиализа, мембранной фильтрации и само оборудование успешно апробированы в производственных условиях и внедрены на ряде молокоперерабатывающих предприятий России и ближнего зарубежья. Разработаны документация на деминерализованную молочную сыворотку, рекомендации и техническая документация по направлениям использования деминерализованной сыворотки и продуктов фильтрации в технологии различных продуктов. Спроектированы линии переработки молочного сырья от приемки до конечного продукта с использованием как электродиализного, так и баромембранного оборудования, так как комплексное применение мембранных процессов при переработке молочной сыворотки дает наилучший экономический эффект и интенсифицирует производство. Срок окупаемости предлагаемого оборудования и технологий, по нашему опыту, составляет от 0,5 до 1,5 лет в зависимости от объемов переработки молочной сыворотки и вида конечного продукта, а расходы на энергозатраты при использовании мембранных процессов концентрирования в 4–5 раз меньше по сравнению с расходами на традиционные процессы выпаривания [3].

Конечно, говорить о получении минорных компонентов из молочной сыворотки, которые смогли бы конкурировать с импортными аналогами, на российских предприятиях пока рано в связи с перечисленными проблемами, но внедрение мембранных технологий – это первый шаг на пути к глубокому фракционированию молочной сыворотки. Уже сейчас с применением мембранных технологий можно получать востребованные в пищевой и фармацевтической промышленности, конкурентоспособные пищевые ингредиенты. Такие как деминерализованная молочная сыворотка, деминерализованный пермеат, КСБ, лактоза и ее производные.

Литература

1. Храмцов, А. Г., Нестеренко, П. Г. Технология продуктов из молочной сыворотки: Учебное пособие. – М.: ДеЛипринт, 2004. – 587с.
2. Боу-Хобиб Джордж, Тальхаммер Вольфгант От вторичного к ценному продукту. Переработка сыворотки мембранной фильтрацией // Молочная промышленность. - № 9. – 2009. – с.64-66.
3. Евдокимов И. А., Володин Д. Н., Сомов В. С., Чаблин Б. В., Михнева В. А., Золоторева М. С. Мембранные технологии в молочном производстве // Молочная промышленность. - №9. – 2013. – с. 15-16.
4. Евдокимов И. А., Володин Д. Н., Головкина М. В., Золоторева М. С., Топалов В. К., Анисимов С. В., Везирян А. А., Клепкер В. М., Анисомов Г. С. Обработка молочного сырья мембранными методами // Молочная промышленность. - №2.- 2012. – с.34-37.