Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Одним из наиболее эффективных путей оптимизации переработки сырья в производстве молочных продуктов является комплексное использование вторичного молочного сырья. Целью работы является оценка органолептических характеристик исходной творожной сыворотки и КСБ (концентрат сывороточных белков), полученного при криоконцентрировании сыворотки, установление их химического состава, определение физико-химических и микробиологических показателей; установление влияния кислотности молочной сыворотки на выход КСБ; разработка технологической схемы производства КСБ методом разделительного вымораживания. Установлено, что все образцы творожной сыворотки в целом соответствуют требованиям действующей нормативно-технической документации и могут быть использованы в качестве исходного сырья при производстве КСБ. Полученный в лабораторных условиях, образец КСБ по содержанию сухих веществ (20,19 %) и белка (12,80 %) соответствует стандартному альбумину с содержанием сухих веществ 20,0 %. Титруемая кислотность КСБ не выходит за пределы допустимого уровня (95 °Т). Совокупный анализ экспериментальных результатов доказал, что, примененная для получения КСБ, технология криоконцентрирования творожной сыворотки способствует получению концентрата, соответствующего требованиям нормативно-технической документации. Установлено влияние кислотности молочной сыворотки на выход КСБ. Полученные данные свидетельствуют о повышении титруемой кислотности с 47 °Т до 50 °Т в процессе хранения творожной сыворотки в течение 7 суток. Увеличение кислотности способствует повышению выхода КСБ через 7 суток хранения сыворотки на 57,6 %. Разработана технологическая схема производства КСБ методом разделительного вымораживания. Рассмотренная технология криоконцентрирования творожной сыворотки позволяет предполагать конструирование промышленной установки поточного типа для получения КСБ.
Творожная сыворотка, разделительное вымораживание, криоконцентрирование, концентрат сывороточного белка
Одним из наиболее эффективных путей оптими- зации переработки сырья в производстве молочных продуктов является комплексное промышленное использование вторичного молочного сырья. Уни- кальность состава и свойств молочной сыворотки не вызывает сомнений. Молочная сыворотка – это ценный источник важных пищевых ингредиентов, в частности сывороточных белков. Биологическая цен- ность последних превышает ценность всех известных в природе пищевых белков. Сывороточные белки, главные из которых β-лактоглобулин и α-лакталь- бумин, являются источником незаменимых амино- кислот, имеют высокую скорость расщепления под действием протеолитических ферментов и высокую степень усвояемости. Комплекс витаминов и фер- ментов, так же как и биологически синтезированная вода, дополняют феномен биотехнологической систе- мы молочной сыворотки [1, 2].
Известны три основных направления промыш- ленной переработки молочной сыворотки: полное ис- пользование всех компонентов сыворотки (напитки свежие и сквашенные, сгущенные и сухие продукты и др.), раздельное использование компонентов сырья (извлечение жира, белков, лактозы и др.), получение производных компонентов молочной сыворотки (ги- дролизаты сывороточных белков, глюкозо-галактоз- ные сиропы, лактулоза и др.).
Для переработки сыворотки применяют сгущение, сушку, электромембранные (электродиализ, элек- троактивация) и баромембранные процессы (ультра- фильтрация, нанофильтрация, обратный осмос) [3–5].
Среди сывороточных ингредиентов наибольший интерес у мировых потребителей вызывают концен- траты сывороточных белков (КСБ). Аналогичная ситуация наблюдается и на современном российском рынке с той лишь существенной разницей, что сыво- роточные ингредиенты практически не производятся в России, а импортируются из-за рубежа, несмотря на огромный собственный сырьевой потенциал [6–8].
Наряду с концентратами получили популярность продукты, выработка которых предполагает непо- средственное применение белковых концентратов в качестве базового ингредиента для существующих и разрабатываемых технологий инновационных мо- лочных продуктов или их долевое участие. Связано это с высокими анаболическими свойствами и биодо- ступностью КСБ, с возросшей информированностью
российского населения о пользе функциональных мо- лочных продуктов и ингредиентов, увеличением по- купательской способности на данном рынке, трендом на здоровое питание, а также повсеместной рекламой здорового образа жизни [9, 10].
Традиционные способы выделения белков из молочной сыворотки малоэффективны и связаны с затратами значительных количеств тепловой энер- гии, реагентов-осадителей (кислоты, щелочи, соли). Это отрицательно сказывается на качестве и безо- пасности конечного продукта. Степень выделения белков при этом невысока и колеблется от 50 % при тепловой денатурации и до 70 % при использовании осадителей [1].
Одним из перспективных направлений промыш- ленной переработки сыворотки является раздельное использование компонентов сырья, в частности извлечение белков при помощи разделительного вы- мораживания (криоконцентрирования) с целью по- лучения казеиноальбуминной массы, концентратов белков с полисахаридами (пектин, хитозан), КСБ. Этот процесс протекает при низких температурах (от 0 до минус 15 °С), что позволяет максимально сохранить свойства исходного продукта (исключить денатурацию белковых фракций молочной сыворот- ки и сохранить ценные термолабильные компоненты) [11, 12].
Несмотря на то, что способ криоконцентрации известен достаточно давно (более 100 лет), конкури- ровать с выпариванием из-за сравнительно больших (до 20 %) потерь сухих веществ со льдом и высокой стоимости оборудования он долгое время не мог.
Исследования, проведенные в России и за рубе- жом, позволили не только усовершенствовать тех- нологию разделительного вымораживания и снизить потери сухих веществ со льдом до 1 % и ниже, но и создать ряд высокоэффективных аппаратов для крио- концентрирования.
Криоконцентрация включает в себя две основ- ные технологические операции: образование смеси кристаллов льда с концентратом и разделение полу- ченной суспензии. Для первой операции используют кристаллизаторы различных типов, для второй – се- парационные установки (центрифуги, фильтрпрессы, разделительные колонки и др.). Следовательно, эти операции могут выполняться в одном устройстве или многоступенчато [13, 14].
Короткий И. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 227–234
Целью работы является оценка органолептиче- ских характеристик исходной творожной сыворотки и КСБ, полученного при криоконцентрировании сыворотки, установление их химического состава, определение физико-химических и микробиологиче- ских показателей; установление влияния кислотно- сти молочной сыворотки на выход КСБ; разработка технологической схемы производства КСБ методом разделительного вымораживания.
Объекты и методы исследования
Объектами исследований являются сыворотка мо- лочная творожная, КСБ, криоконцентратор емкостно- го типа. При проведении исследований применялись стандартные общепринятые методики определения органолептических, физико-химических и микробио- логических показателей в исходном сырье (творож- ной сыворотке) и продукте (КСБ).
Результаты и их обсуждение
Для проведения исследований был использован криоконцентратор емкостного типа, разработанный на кафедре теплохладотехники Кемеровского государ- ственного университета, при использовании которого были проведены лабораторные испытания исходного сырья (творожной сыворотки) и продукта (КСБ).
Криоконцентратор представляет собой емкость с рубашкой, внутри которой циркулирует промежу- точный хладоноситель – пропиленгликоль. Отвод тепловой энергии от промежуточного теплоносителя осуществляется испарителем холодильной машины, выполненным в виде змеевика и расположенным внутри рубашки. Отвод и подвод хладагента в испа- ритель производится через соответствующие патруб- ки. Аппарат снабжен откидной крышкой. Загрузка исходного сырья осуществляется через крышку. Вы- грузка концентрата происходит через патрубок, рас- положенный в нижней части аппарата. Кристаллизат
извлекается в виде ледяного цилиндра через крышку, предварительно отепляемый вдоль стенки аппарата за счет расположенного в рубашке ТЭНа, включаемо- го после завершения технологического процесса на стадии разгрузки аппарата [15, 16].
В ходе исследований использовалась творожная сыворотка нескольких производителей г. Кемерово: ООО «МПО «Скоморошка»», СХПК «Подворье», ООО «Натуральное молоко». На вышеуказанных предприятиях сыворотку получают в производстве творога кислотным способом, температура пастери- зации нормализованной смеси составляет 78–80 °С, способ сквашивания – ускоренный. Это позволяет интенсифицировать процесс коагуляции и синерезиса сыворотки из сгустка. Отделение сыворотки произво- дят самопрессованием в ванне.
Перед началом эксперимента творожную сыворот- ку объемом 3 л предварительно фильтровали через лавсановую ткань, охлаждали до температуры 4 °С, заливали в рабочую емкость криоконцентратора, охлажденную до заданной температуры. В процессе криоконцентрирования температура в рубашке аппа- рата изменялась в пределах –4 ± 2 °С. Волнообраз- ный характер изменения температуры способствовал началу процесса кристаллизации влаги на стенках емкости. Продолжительность технологического про- цесса в среднем составляет 4,5 ч. В процессе работы криоконцентратора на стенках происходит образо- вание льда, оставляя в середине емкости незамерз- шую часть сыворотки, в которой концентрируются сывороточные белки. Концентрат удаляли через от- верстие, расположенное в нижней части емкости. Об- разовавшийся лед (кристаллизат) удаляли из емкости криоконцентратора и дефростировали [17].
В ходе экспериментов оценены органолептиче- ские характеристики исходной творожной сыво- ротки, установлен химический состав, определены физико-химические показатели (табл. 1).
|
показатели |
Таблица 1. Состав, органолептические и физико-химические показатели творожной сыворотки
Table 1. Composition, sensory, and physico-chemical indicators of curd whey
|
Органолепти- ческие показатели |
Наименование показателя |
Характеристика показателя |
||
|
ООО «МПО «Скоморошка»» |
СХПК «Подворье» |
ООО «Натуральное молоко» |
||
|
Консистенция и внешний вид |
однородная жидкость с наличием незначительного количества белкового осадка |
|||
|
Цвет |
бледно-зеленый |
|||
|
Вкус и запах |
свойственный молочной сыворотке, кисловатый |
|||
|
Химический состав |
Наименование компонента |
Содержание компонента, % |
||
|
Вода |
94,11 |
94,88 |
96,02 |
|
|
Сухие вещества, в том числе: |
5,88 |
5,12 |
3,98 |
|
|
Белки |
0,5 |
0,6 |
0,4 |
|
|
Жиры |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
|
|
Углеводы |
4,7 |
3,7 |
2,6 |
|
|
Минеральные вещества |
0,5 |
0,7 |
0,9 |
|
|
Физико- химические |
Наименование показателя |
Значение показателя |
||
|
Кислотность: активная, ед. рН титруемая, °Т |
4,61 73 |
4,39 87 |
4,53 63 |
|
|
Плотность, кг/м3 |
1026 |
1027 |
1026 |
|
|
Относительная вязкость, Па×с |
1,1711×10–3 |
1,2531×10–3 |
1,2352×10–3 |
|
|
Кинетическая вязкость, мм2/с |
1,2179 |
1,2355 |
1,2190 |
|
Korotkiy I.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 227–234
Рисунок 1. КСБ, полученный в результате эксперимента
Figure 1. Experimentally obtained WPC
Установлено, что все образцы творожной сы- воротки в целом соответствовали требованиям ГОСТ 34352-2017. «Сыворотка молочная – сырье. Технические условия» и ГОСТ 33957-2016. «Сы- воротка молочная и напитки на ее основе. Правила приемки, отбор проб и методы контроля» и могут быть использованы в качестве исходного сырья при производстве КСБ [18, 19].
При криоконцентрировании творожной сыворот- ки получен КСБ. Внешний вид КСБ представлен на рисунке 1.
С целью установления качества полученного при криоконцентрировании КСБ были проведены исследования его химического состава, органолепти- ческих, физико-химических и микробиологических характеристик. Состав, органолептические и фи- зико-химические показатели КСБ представлены в таблице 2.
Полученный в лабораторных условиях, образец КСБ по содержанию сухих веществ (20,19 %) и белка (12,80 %) соответствует стандартному альбумину с содержанием сухих веществ 20,0 %. Титруемая кис- лотность КСБ не выходит за пределы допустимого уровня (95 °Т).
Микробиологические показатели КСБ приведены в таблице 3.
Совокупный анализ экспериментальных резуль- татов позволяет заключить, что, примененная для получения КСБ, технология криоконцентрирования творожной сыворотки способствует получению кон- центрата, соответствующего требованиям норматив- но-технической документации (ГОСТ 33956-2016.
«Альбумин молочный и пасты альбуминные. Техни- ческие условия», ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции») [20, 21].
В ходе экспериментов устанавливали влияние кислотности творожной сыворотки на выход КСБ. Творожную сыворотку хранили в течение 7 суток при температуре 4 ± 2 °С. Титруемую кислотность и выход КСБ, полученного криоконцентрированием творожной сыворотки, контролировали ежедневно.
Таблица 2. Состав, органолептические и физико-химические показатели КСБ
Table 2. Composition, sensory, and physico-chemical properties of the WPC
|
Органоле- птические показатели |
Наименование показателя |
Характеристика показателя |
|
Консистенция и внешний вид |
мягкая, рассыпчатая, с наличием ощутимых частиц молочного белка |
|
|
Цвет |
белый с кремовым оттенком, равномерный по всей массе |
|
|
Вкус и запах |
чистые, кисломолочные, без посторонних вкусов и запахов |
|
|
Химический состав |
Наименование компонента |
Содержание компонента, % |
|
Массовая доля общего белка |
12,80 |
|
|
Содержание сывороточных белков |
2,87 |
|
|
Содержание казеиновых белков |
7,98 |
|
|
Содержание общего азота |
2,04 |
|
|
Содержание небелкового азота |
0,313 |
|
|
Массовая доля сухих веществ |
20,19 |
|
|
Физико-хи- мические показатели |
Наименование показателя |
Значение показателя |
|
Кислотность: активная, ед. рН титруемая, °Т |
4,35 95 |
Таблица 3. Микробиологические показатели КСБ
Table 3. Microbiological indicators of the WPC
|
Наименование показателя |
Допустимый уровень |
Фактическое содержание |
|
|
КМАФАнМ, КОЕ/см3 (г), не более |
2×105 |
1,6×104 |
|
|
Дрожжи/плесени, КОЕ/см3 (г), не более |
100/50 |
20/10 |
|
|
Стафилококки, S. aureus |
Объем (масса) продукта, см3 (г), в которой не допускаются |
0,1 |
не обнаружены |
|
Бактерии группы кишечной палочки (колиформы) |
0,1 |
не обнаружены |
|
|
Патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы |
25 |
не обнаружены |
|
Короткий И. А. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 2 С. 227–234
Рисунок 2. График зависимости выхода КСБ от кислотности творожной сыворотки
Figure 2. Effect of the acidity of the curd whey on the output of the WPC: dependence graph
Зависимость изменения титруемой кислотности сыворотки от продолжительности ее хранения в ходе эксперимента для одной партии сыворотки и влияние на выход КСБ показана на рисунке 2.
Полученные данные свидетельствуют о повы- шении титруемой кислотности в процессе хранения творожной сыворотки. В течение 7 суток хранения кислотность сыворотки возросла с 47 °Т до 50 °Т. Увеличение кислотности способствовало повыше- нию выхода КСБ через 7 суток хранения сыворотки на 57,6 %.
В результате исследований разработана техно- логическая схема производства КСБ из творожной сыворотки методом криоконцентрирования (рис. 3).
Производство КСБ состоит из следующих стадий:
- сбор сыворотки, очистка от казеиновой пыли и мо- лочного жира;
Сбор творожной сыворотки (резервуар)
Сепарирование (очистка от казеиновой пыли и молочного жира) t = 35–40 °С
Охлаждение до t = 4 ± 2 °С
Очищенная сыворотка
Казеиновая пыль, молочный жир
Резервирование при t = 4 ± 2 °С
Пастеризация
t = 72–75 °C, τ = 15–20 сек.
Концентрат кристаллизата
Кристаллизат
Разделительное вымораживание
t = –4 ± 2 °С, τ = 4,5 ч.
Концентрат
Кристаллизат концентрата
Разделительное вымораживание
t = –4 ± 2 °С, τ = 4,5 ч.
Разделительное вымораживание
t = –4 ± 2 °С, τ = 4,5 ч.
Кристаллизат кристаллизата
Концентрат концентрата
Слив
Термическая коагуляция при t = 90–95 °С, τ = 1–2 ч.
Сепарирование
Концентрат сывороточного белка
Осветленная сыворотка
Фасовка, маркировка, хранение/дальнейшая переработка
Рисунок 3. Технологическая схема производства КСБ из творожной сыворотки методом криоконцентрирования
Figure 3. Technological scheme of WPC production from curd whey by cryoconcentration
Korotkiy I.A. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 2, pp. 227–234
- пастеризация сыворотки;
- двухступенчатое криоконцентрирование;
- термокоагуляция концентрата сыворотки;
- отделение КСБ путем сепарирования.
Сыворотка собирается в резервуаре. После чего ее с помощью насоса подают в пластинчатую установку, где она подогревается горячей водой до температуры 35–40 °С и направляется в сепаратор. В сепараторе происходит отделение казеиновой пыли и молочного жира для исключения попадания этих компонентов в готовый продукт – КСБ. Сыворотку охлаждают холодной водой в пластинчатой установ- ке до температуры 4 ± 2 °С. Охлажденную сыворотку хранят в резервуаре.
Затем творожную сыворотку из резервуара (с помо- щью насоса через уравнительный бак) подают в пла- стинчатую пастеризационно-охладительную установку, где пастеризуют при температуре 72–75 °С с выдерж- кой 15–20 сек и охлаждают до температуры 4 °С.
Подготовленную сыворотку направляют в блок аппаратов криоконцентрирования, где производят двойное концентрирование вымораживанием. В результате получают две фракции: концентрат кон- центрата и кристаллизат кристаллизата. Кристал- лизат кристаллизата имеет малое количество сухих веществ, и в том числе растворенных сывороточных белков, поэтому легко утилизируется. Концентрат концентрата направляют через промежуточную на- копительную емкость на термическую коагуляцию в ванну длительной пастеризации. Полученный продукт перекачивают винтовым насосом в сепара- тор, где отделяют КСБ от жидкой фазы. Затем КСБ
направляется на фасовку, маркировку, хранение или дальнейшую переработку.
Технология разделительного вымораживания по
выработке КСБ из молочной (кислой) сыворотки, ре- ализованная на лабораторном криоконцентраторе, а также результаты, полученные в ходе этой работы, по- зволяют дать основание для дальнейшей работы по вы- явлению основных факторов и степени их воздействия на процесс криоконцентрирования с целью последую- щего проектирования установки поточного типа.
Выводы
В настоящее время отечественная промышлен- ность полностью не обеспечивает потребности соб- ственного рынка в сывороточных ингредиентах и импортирует производные сыворотки, включая КСБ из-за рубежа. Однако тенденции к модернизации производства и значительные объемы сырьевых ре- сурсов в России приводят к выводу о росте объемов производства КСБ, что предопределяет перспек- тивность переработки сыворотки с получением ее концентратов высокого качества, которые могли бы конкурировать с импортными аналогами. Учитывая большие сырьевые ресурсы молочной сыворотки, перспективы, быструю окупаемость и энергоэффек- тивность криоконцентрирования, низкий уровень конкуренции на отечественном рынке, данная техно- логия и, полученная в результате, продукция могут приносить высокую прибыль производителю.
Конфликт интересов
Авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Переработка молочной сыворотки с получением ценных пищевых ингредиентов / М. С. Золоторева, Д. Н. Воло- дин, С. Н. Князев [и др.] // Переработка молока. - 2015. - Т. 187, № 5. - С. 28-29.
2. Храмцов, А. Г. Феномен молочной сыворотки / А. Г. Храмцов. - СПб. : Профессия, 2011. - 804 с.
3. Гущин, А. А. Экологическая безопасность молочного производства и технологии переработки молочной сыворот- ки / А. А. Гущин // XV Международная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике».- Новосибирск, 2016. - С. 16-20.
4. Донская, Г. А. Эффективные технологии использования молочной сыворотки / Г. А. Донская, Г. В. Фриденберг // Молочная промышленность. - 2009. - № 12. - С. 38-40.
5. Евдокимов, И. А. Современное состояние переработки молочной сыворотки / И. А. Евдокимов, А. Г. Храмцов, П. Г. Нестеренко // Молочная промышленность. - 2008. - № 11. - С. 36-39.
6. Использование сывороточных ингредиентов в производстве продуктов питания / Д. Н. Володин, М. С. Золоторева, А. В. Костюк [и др.] // Молочная промышленность. - 2017. - № 2. - C. 65-67.
7. У российской сыворотки большое будущее: Новости молочного рынка каждый день // [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dairynews.ru/news/u_rossijskoj_syvorotki_bolshoje_budushheje.html. - Дата обращения: 20.02.2019.
8. Щетинин, М. П. Производство и переработка молочной сыворотки в России и Алтайском крае / М. П. Щетинин, А. С. Дорохова // Ползуновский Вестник. - 2013. - № 4-4. - C. 80-84.
9. Переработка молочной сыворотки: понятная стратегия, реальные технологии, адекватные инвестиции, востребо- ванные продукты / Д. Н. Володин, М. С. Золоторева, В. К. Топалов [и др.] // Молочная промышленность. - 2015. - № 5. - C. 36-41.
10. Мазеева, И. А. Современные упаковочные решения для концентрата сывороточных белков / И. А. Мазеева, И. А. Короткий, И. Б. Плотников // Техника и технология пищевых производств. - 2018. - Т. 48, № 4. - С. 48-58. DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2018-4-48-58.
11. Гущин, А. А. Концентрирование творожной сыворотки разделительным вымораживанием / А. А. Гущин // Вест- ник Красноярского государственного аграрного университета. - 2017. - Т. 133, № 10. - С. 168-174.
12. Короткий, И. А. Исследование возможности получения концентрата сывороточного белка методом разделитель- ного вымораживания / И. А. Короткий, А. А. Гущин, Д. Е. Федоров // Вестник современных исследований. - 2019. - Т. 28,№ 1-8. - С. 102-106.
13. Панченко, С. Л. Исследование процесса концентрирования творожной сыворотки методом вымораживания: дис.… канд. техн. наук: 05.18.12 / Панченко Сергей Леонидович. - Воронеж, 2010. - 187 с.
14. Короткий, И. А. Исследование процессов криоконцентрирования молочной сыворотки / И. А. Короткий, П. А. Гунько, Д. Е. Федоров // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2014. - Т. 88, № 1. - С. 148-153.
15. Короткий, И. А. Эффективность производства искусственного холода в разделительных вымораживающих уста- новках / И. А. Короткий, Е. В. Короткая, М. Г. Курбанова // Техника и технология пищевых производств. - 2016. - Т. 43,№ 4. - С. 116-122.
16. Короткий, И. А. Исследование работы емкостного кристаллизатора для разделительного вымораживания жидких пищевых продуктов / И. А. Короткий, Д. Е. Федоров, Н. А. Тризно // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - Т. 27, № 4. - С. 106-110.
17. Гущин, А. А. Анализ процессов криоконцентрирования молочной сыворотки в нескольких последовательных ступенях / А. А. Гущин // Техника и технология пищевых производств. - 2017. - Т. 45, № 2. - С. 87-92.
18. ГОСТ 34352-2017. Сыворотка молочная - сырье. Технические условия. М. : Стандартинформ, 2018. - 11 с.
19. ГОСТ 33957-2016. Сыворотка молочная и напитки на ее основе. Правила приемки, отбор проб и методы контро- ля. М. : Стандартинформ, 2016. - 19 с.
20. ГОСТ 33956-2016. Альбумин молочный и пасты альбуминные. Технические условия. М. : Стандартинформ, 2016. - 15 с.
21. Технический регламент таможенного союза «О безопасности молока и молочной продукции» (ТР ТС 033/2013).
