Dairy industry Dairy industry Молочная промышленность 1019-8946 120508 10.21603/1019-8946-2026-2-79 JLQUKS Научная статья Research Article Научная статья Membrane Cleaning Protocols for Liquid Polydisperse Milk-Protein Systems with Lactulose Баромембранная очистка жидкой полидисперсной молочно-белковой системы, содержащей лактулозу https://orcid.org/0000-0002-5396-1548 Евдокимов Иван Алексеевич Evdokimov Ivan A. ievdokimov@ncfu.ru Мамай Ангелина Валерьевна Mamay Angelina V.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-1784-0837 Бабенышев Сергей Петрович Babenyshev Sergey P.

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-8460-2954 Лодыгин Алексей Дмитриевич Lodygin Alexei D. allodygin@yandex.ru Мамай Дмитрий Сергеевич Mamay Dmitry S. dmamai@ncfu.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Северо-Кавказский федеральный университет Россия North-Caucasus Federal University Russian Federation Северо-Кавказский федеральный университет Россия North-Caucasus Federal University Russian Federation Северо-Кавказский федеральный университет Россия North-Caucasus Federal University Russian Federation Северо-Кавказский федеральный университет Ставрополь Россия North-Caucasus Federal University Stavropol Russian Federation Северо-Кавказский федеральный университет Россия North-Caucasus Federal University Russian Federation 10 04 2026 10 04 2026 2 38 50 18 11 2025 17 03 2026 https://moloprom.kemsu.ru/en/nauka/article/120508/view

Мировой рынок пребиотиков демонстрирует устойчивый рост спроса. При этом потребность в одном из них, очищенной лактулозе, сдерживается трудностями ее выделения из культуральных рабочих растворов – смесей ферментов и пермеатов молочной сыворотки. Трудность обусловлена вариабельностью физико-химических свойств разделяемых систем и особенностями технологии реализации процессов их мембранного разделения. Цель исследования – разработка методики мембранной очистки культурального раствора, содержащего лактулозу, от белковых компонентов. Достижение поставленной цели основано на решении научно-прикладных задач: изучение физико-химических свойств исходной полидисперсной молочно-белковой системы как объекта мембранного разделения; получение зависимости потоков пермеатов от длительности процессов микро- и ультрафильтрации; обоснование последовательности проведения технологических операций очистки. При выполнении исследований использовались стандартное оборудование, материалы и методы обработки экспериментальных данных. Основной модельный объект мембранного разделения, сопоставимый по массовой доле сухих веществ со сточными водами перерабатывающих молоко предприятий, готовили на водной основе в виде смеси ферментов (например, K. lactis Y-1339 + S. thermophilus БК-Углич-ТВ), стандартного сухого пермеата подсырной сыворотки и анионного поверхностно-активного вещества. Установлено, что по гранулометрическому составу исследованные образцы жидкой полидисперсной молочно-белковой системы имеют существенные различия, а по массовым долям общего белка и сухих веществ практически сопоставимы. Проницаемость микро- и ультрафильтрационных мембран определяется длительностью процесса, массовой долей общего белка и гранулометрическим составом дисперсной фазы разделяемой системы. Для получения высокого качества очистки модельного объекта мембранного разделения последовательность технологических операций должна обязательно предусматривать его предварительную обработку – тонкую фильтрацию или микрофильтрацию и окончательную стадию – ультрафильтрацию.

The growing global demand for prebiotics, particularly purified lactulose, is constrained by the difficulties in isolating it from culture working solutions. As a rule, such a solution is a mix of enzymes and whey permeates with a wide variability of physicochemical properties, which complicates the separation process. This article introduces a new method for membrane separation of lactulose-protein culture solutions. By studying the physicochemical properties of the initial polydisperse milk-protein system, the authors determined the effect of micro- and ultrafiltration on permeate fluxes. The data obtained made it possible to develop an optimal purification protocol. The research involved standard equipment, materials, and experimental data processing methods. The main model object of membrane separation was comparable in dry matter content to wastewater from dairy processing plants. It was prepared using a water-based mix of enzymes (e.g., K. lactis Y-1339 + S. thermophilus BK-Uglich-TV), a standard dry cheese whey permeate, and an anionic surfactant. The samples of the liquid polydisperse milk-protein system differed significantly in particle size distribution but were similar in terms of total protein and dry matter mass fractions. The permeability of micro- and ultrafiltration membranes was determined by the processing time, total protein mass fraction, and particle size distribution of the dispersed phase. The experiment proves that a high-quality purification must include a preliminary fine filtration or microfiltration followed by ultrafiltration.

 молочная сыворотка лактулоза пермеат гранулометрический состав микрофильтрация ультрафильтрация whey lactulose permeate granulometric composition microfiltration ultrafiltration Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-26-00264, https://rscf.ru/project/25-26-00264/. The study was funded by the Russian Science Foundation grant No. 25-26-00264, https://rscf.ru/project/25-26-00264/.

Валеева, Л. Л. Роль кишечной микробиоты в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Методы диагностики и способы коррекции (обзор) / Л. Л. Валеева [и др.] // Журнал медико-биологических исследований. 2024. Т. 12, № 4. С. 534–547. https://doi.org/10.37482/2687-1491-Z218; https://elibrary.ru/cdiijs Valeeva, L. L. Rol' kishechnoy mikrobioty v razvitii serdechno-sosudistyh zabolevaniy. Metody diagnostiki i sposoby korrekcii (obzor) / L. L. Valeeva [i dr.] // Zhurnal mediko-biologicheskih issledovaniy. 2024. T. 12, № 4. S. 534–547. https://doi.org/10.37482/2687-1491-Z218; https://elibrary.ru/cdiijs Ткаченкова, Н. А. Молочная продуктивность коров-первотелок при использовании в рационах кормовых добавок на основе лактулозы / Н. А. Ткаченкова, В. А. Пузанкова, А. К. Натыров // Сельское хозяйство и экосистемы в современном мире: региональные и межстрановые исследования. 2023. Т. 2, № 4. С. 43–49. https://doi.org/10.53315/2949-1231-2023-2-4-43-49; https://elibrary.ru/busqrn Tkachenkova, N. A. Molochnaya produktivnost' korov-pervotelok pri ispol'zovanii v racionah kormovyh dobavok na osnove laktulozy / N. A. Tkachenkova, V. A. Puzankova, A. K. Natyrov // Sel'skoe hozyaystvo i ekosistemy v sovremennom mire: regional'nye i mezhstranovye issledovaniya. 2023. T. 2, № 4. S. 43–49. https://doi.org/10.53315/2949-1231-2023-2-4-43-49; https://elibrary.ru/busqrn Ambrogi, V. Galacto-oligosaccharides as infant prebiotics: production, application, bioactive activities and future perspectives / V. Ambrogi [et al.] // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2023. Vol. 63(6). P. 753–766. https://doi. org/10.1080/10408398.2021.1953437 Ambrogi, V. Galacto-oligosaccharides as infant prebiotics: production, application, bioactive activities and future perspectives / V. Ambrogi [et al.] // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2023. Vol. 63(6). P. 753–766. https://doi. org/10.1080/10408398.2021.1953437 Charcosset, C. Classical and recent applications of membrane processes in the food industry / C. Charcosset // Food Engineering Reviews. 2021. Vol. 13(2). P. 322–343. https://doi.org/ 10.1007/s12393-020-09262-9 Charcosset, C. Classical and recent applications of membrane processes in the food industry / C. Charcosset // Food Engineering Reviews. 2021. Vol. 13(2). P. 322–343. https://doi.org/ 10.1007/s12393-020-09262-9 Chen, G. Q. Separation technologies for whey protein fractionation / G. Q. Chen [et al.] // Food Engineering Reviews. 2023. Vol. 15(3). P. 438–465. https://doi.org/10.1007/s12393-022-09330-2 Chen, G. Q. Separation technologies for whey protein fractionation / G. Q. Chen [et al.] // Food Engineering Reviews. 2023. Vol. 15(3). P. 438–465. https://doi.org/10.1007/s12393-022-09330-2 Chiba, C. H. Cell-free protein synthesis: Advances on production process for biopharmaceuticals and immunobiological products / C. H. Chiba [et al.] // BioTechniques. 2021. Vol. 70(2). P. 126–133. https://doi.org/10.2144/btn-2020-0155 Chiba, C. H. Cell-free protein synthesis: Advances on production process for biopharmaceuticals and immunobiological products / C. H. Chiba [et al.] // BioTechniques. 2021. Vol. 70(2). P. 126–133. https://doi.org/10.2144/btn-2020-0155 Motevalian, S. P. Evaluation of single-use tangential flow filtration technology for purification of activated polysaccharides used in conjugate vaccine manufacturing / S. P. Motevalian, J. De Leon, I. Carino [et al.] // Biotechnology Progress. 2021. Vol. 37 (6). P. 3204. https://doi.org/10.1002/btpr.3204. – https://elibrary.ru/SCOWFD. Motevalian, S. P. Evaluation of single-use tangential flow filtration technology for purification of activated polysaccharides used in conjugate vaccine manufacturing / S. P. Motevalian, J. De Leon, I. Carino [et al.] // Biotechnology Progress. 2021. Vol. 37 (6). P. 3204. https://doi.org/10.1002/btpr.3204. – https://elibrary.ru/SCOWFD. Мухачева, А. В. Выбор оптимальных методов очистки белковых веществ, входящих в состав вакцины антирабической культуральной концентрированной очищенной инактивированной (КОКАВ) / А. В. Мухачева, А. А. Мовсесянц, М. М. Алсынбаев // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2014. № 3(76). С. 84–88. https://elibrary.ru/sghrlz Muhacheva, A. V. Vybor optimal'nyh metodov ochistki belkovyh veschestv, vhodyaschih v sostav vakciny antirabicheskoy kul'tural'noy koncentrirovannoy ochischennoy inaktivirovannoy (KOKAV) / A. V. Muhacheva, A. A. Movsesyanc, M. M. Alsynbaev // Epidemiologiya i vakcinoprofilaktika. 2014. № 3(76). S. 84–88. https://elibrary.ru/sghrlz Akishev, Z. Production of recombinant milk-converting enzyme in yeast pichia pastoris / Z. Akishev [et al.] // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2024. Vol. 1. P. 62–68. https://doi.org/10.11134/btp.1.2024.6 Akishev, Z. Production of recombinant milk-converting enzyme in yeast pichia pastoris / Z. Akishev [et al.] // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2024. Vol. 1. P. 62–68. https://doi.org/10.11134/btp.1.2024.6 Comunian, R. Development and application of starter cultures / R. Comunian, L. Chessa // Fermentation. 2024. Vol. 10(10). Art. no. 512. https://doi.org/10.3390/fermentation10100512 Comunian, R. Development and application of starter cultures / R. Comunian, L. Chessa // Fermentation. 2024. Vol. 10(10). Art. no. 512. https://doi.org/10.3390/fermentation10100512 Balabova, D. V. Biochemical properties of a promising milk-clotting enzyme, moose (Alces alces) recombinant chymosin / D. V. Balabova [et al.] // Foods. 2023. Vol. 12(20). Art. no. 3772. https://doi.org/10.3390/foods12203772 Balabova, D. V. Biochemical properties of a promising milk-clotting enzyme, moose (Alces alces) recombinant chymosin / D. V. Balabova [et al.] // Foods. 2023. Vol. 12(20). Art. no. 3772. https://doi.org/10.3390/foods12203772 Wu, Y. High cell density perfusion process for high yield of influenza A virus production using MDCK suspension cells / Y. Wu [et al.] // Applied Microbiology and Biotechnology. 2021. Vol. 105. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00253-020-11050-8 Wu, Y. High cell density perfusion process for high yield of influenza A virus production using MDCK suspension cells / Y. Wu [et al.] // Applied Microbiology and Biotechnology. 2021. Vol. 105. P. 1421–1434. https://doi.org/10.1007/s00253-020-11050-8 Botelho, V. A. Membrane bioreactor for simultaneous synthesis and fractionation of oligosaccharides / V. A. Botelho [et al.] // Membranes. 2022. Vol. 12(2). Art. no. 171. https://doi.org/10.3390/membranes12020171 Botelho, V. A. Membrane bioreactor for simultaneous synthesis and fractionation of oligosaccharides / V. A. Botelho [et al.] // Membranes. 2022. Vol. 12(2). Art. no. 171. https://doi.org/10.3390/membranes12020171 Bilal, M. State-of-the-art strategies and applied perspectives of enzyme biocatalysis in food sector - Current status and future trends / M. Bilal, H. M. N. Iqbal // Critical reviews in food science and nutrition. 2020. Vol. 60(12). P. 2052–2066. https://doi.org/10.1080/10408398.2019.1627284 Bilal, M. State-of-the-art strategies and applied perspectives of enzyme biocatalysis in food sector - Current status and future trends / M. Bilal, H. M. N. Iqbal // Critical reviews in food science and nutrition. 2020. Vol. 60(12). P. 2052–2066. https://doi.org/10.1080/10408398.2019.1627284 Pirzadah, T. B. Bioresource Technology: Concept, Tools and Experiences. / T. B. Pirzadah [et al.]. – John Wiley & Sons Ltd, 2022. – 518 p. Pirzadah, T. B. Bioresource Technology: Concept, Tools and Experiences. / T. B. Pirzadah [et al.]. – John Wiley & Sons Ltd, 2022. – 518 p. Zhu, H. Emerging applications of biochar: A review on techno-environmental-economic aspects / H. Zhu [et al.] // Bioresource Technology. 2023. Vol. 388. Art. no. 129745. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129745 Zhu, H. Emerging applications of biochar: A review on techno-environmental-economic aspects / H. Zhu [et al.] // Bioresource Technology. 2023. Vol. 388. Art. no. 129745. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129745 Su, Z. An enzymatic membrane reactor for oligodextran production: Effects of enzyme immobilization strategies on dextranase activity / Z. Su [et al.] // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 271. Art. no. 118430. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118430 Su, Z. An enzymatic membrane reactor for oligodextran production: Effects of enzyme immobilization strategies on dextranase activity / Z. Su [et al.] // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 271. Art. no. 118430. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118430 Keulen, D. Recent advances to accelerate purification process development: A review with a focus on vaccines / D. Keulen [et al.] // Journal of Chromatography A. 2022. Vol. 1676. Art. no. 463195. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2022.463195 Keulen, D. Recent advances to accelerate purification process development: A review with a focus on vaccines / D. Keulen [et al.] // Journal of Chromatography A. 2022. Vol. 1676. Art. no. 463195. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2022.463195 Kaur, N. Different treatment techniques of dairy wastewater / N. Kaur // Groundwater for Sustainable Development. 2021. Vol. 14. Art. no. 100640. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2021.100640 Kaur, N. Different treatment techniques of dairy wastewater / N. Kaur // Groundwater for Sustainable Development. 2021. Vol. 14. Art. no. 100640. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2021.100640 Ghosh, S. Kinetic modeling and cost analysis of coupled ultrasonic processes for the treatment of dairy wastewater / S. Ghosh, A. Debnath, M. S. Manna // Journal of Water Process Engineering. 2023. Vol. 54. Art. no. 104031. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104031 Ghosh, S. Kinetic modeling and cost analysis of coupled ultrasonic processes for the treatment of dairy wastewater / S. Ghosh, A. Debnath, M. S. Manna // Journal of Water Process Engineering. 2023. Vol. 54. Art. no. 104031. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2023.104031 Nyambura, H. L. A geometric model to predict protein retentions during skim milk microfiltration / H. L. Nyambura [et al.] // Journal of Membrane Science. 2025. Vol. 722. Art. no. 123865. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.123865 Nyambura, H. L. A geometric model to predict protein retentions during skim milk microfiltration / H. L. Nyambura [et al.] // Journal of Membrane Science. 2025. Vol. 722. Art. no. 123865. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.123865 Babenyshev, S. Ultrafiltration of cottage cheese whey for cleaning of nitrogenous substances / S. Babenyshev, D. Mamay, A. Borisenko [et al.] // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2020. Vol. 33. P. 219–224. https://elibrary.ru/hwgfmz Babenyshev, S. Ultrafiltration of cottage cheese whey for cleaning of nitrogenous substances / S. Babenyshev, D. Mamay, A. Borisenko [et al.] // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2020. Vol. 33. P. 219–224. https://elibrary.ru/hwgfmz Babenyshev, S. Hydrodynamics and mass transfer with gel formation in a roll type ultrafiltration membrane / S. Babenyshev [et al.] // Foods and Raw Materials. 2018. Vol. 6(2). P. 350–357. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2018-2-350-357 Babenyshev, S. Hydrodynamics and mass transfer with gel formation in a roll type ultrafiltration membrane / S. Babenyshev [et al.] // Foods and Raw Materials. 2018. Vol. 6(2). P. 350–357. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2018-2-350-357 Babenyshev, S. P. Research of the secondary milk raw materials purification from protein components by natural polysaccharides / S. P. Babenyshev [et al.] // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2020. Vol. 31. P. 63–68. https://elibrary.ru/dkssua Babenyshev, S. P. Research of the secondary milk raw materials purification from protein components by natural polysaccharides / S. P. Babenyshev [et al.] // Journal of Hygienic Engineering and Design. 2020. Vol. 31. P. 63–68. https://elibrary.ru/dkssua Filippov, A. N. Mathematical modeling of microfiltration of polydisperse suspension on heterogeneous membranes / A. N. Filippov, R. K. Iksanov // Petroleum Chemistry. 2012. Vol. 52(7). P. 520–526. https://doi.org/10.1134/S0965544112070043 Filippov, A. N. Mathematical modeling of microfiltration of polydisperse suspension on heterogeneous membranes / A. N. Filippov, R. K. Iksanov // Petroleum Chemistry. 2012. Vol. 52(7). P. 520–526. https://doi.org/10.1134/S0965544112070043 Tolkach, A. Transport of whey proteins through 0.1 mm ceramic membrane: Phenomena, modelling and consequences for concentration or diafiltration processes / A. Tolkach, U. Kulozik // Desalination. 2006. Vol. 199(1–3). P. 340–341. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.03.183 Tolkach, A. Transport of whey proteins through 0.1 mm ceramic membrane: Phenomena, modelling and consequences for concentration or diafiltration processes / A. Tolkach, U. Kulozik // Desalination. 2006. Vol. 199(1–3). P. 340–341. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.03.183 Coşkun, Ö. Molecular details of the formation of soluble aggregates during ultrafiltration or microfiltration combined with diafiltration of skim milk / Ö. Coşkun [et al.] // Food Hydrocolloids. 2022. Vol. 124. Art. no. 107244. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107244 Coşkun, Ö. Molecular details of the formation of soluble aggregates during ultrafiltration or microfiltration combined with diafiltration of skim milk / Ö. Coşkun [et al.] // Food Hydrocolloids. 2022. Vol. 124. Art. no. 107244. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2021.107244 Mamay, D. S. Empirical predicting permeate flux in skim milk microfiltration / D. S. Mamay [et al.] // Foods and Raw Materials. 2026. Vol. 15(2). P. 331–338. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2026-2-675 . Mamay, D. S. Empirical predicting permeate flux in skim milk microfiltration / D. S. Mamay [et al.] // Foods and Raw Materials. 2026. Vol. 15(2). P. 331–338. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2026-2-675 .