Dairy industry Dairy industry Молочная промышленность 1019-8946 86480 10.21603/1019-8946-2024-4-6 Научная статья Research Article Научная статья Efficient Whey Demineralization: Methods and Optimization Эффективность деминерализации молочной сыворотки: анализ методов и оптимизация их использования Володин Дмитрий Николаевич Volodin Dmitry N. info@dmprocess.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Топалов Виктор Константинович Topalov Victor K. info@dmprocess.ru Куликова Ирина Кирилловна Kulikova Irina K.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-5396-1548 Евдокимов Иван Алексеевич Evdokimov Ivan A. ievdokimov@ncfu.ru Хазов Дмитрий Сергеевич Khazov Dmitry S. Сорокин Кирилл Юрьевич Sorokin Kirill Yu. ООО «ДМП» Ставрополь Россия LLC "DMP" Stavropol Russian Federation ООО «ДМП» Ставрополь Россия LLC "DMP" Stavropol Russian Federation ООО «ДМП» Ставрополь Россия LLC "DMP" Stavropol 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 Ставрополь Россия North-Caucasus federal university Stavropol Russian Federation 15 08 2024 15 08 2024 4 50 55 15 07 2024 30 07 2024 https://moloprom.kemsu.ru/en/nauka/article/86480/view

Деминерализованная молочная сыворотка, благодаря улучшенным органолептическим свойствам, занимает важное место на рынке пищевых ингредиентов, так как используется в широком спектре пищевых продуктов, включая детское питание. С учетом растущего спроса на здоровое питание, развитие рынка функциональных продуктов и увеличения общего потребления молочных продуктов, развитие новых технологий обработки сыворотки обеспечивает еще более широкие возможности для производства ценных продуктов на ее основе. Статья посвящена современным методам деминерализации молочной сыворотки, применяемым в молочной промышленности. Рассматриваются три основных метода: нанофильтрация, электродиализ и ионообмен, с описанием их преимуществ и недостатков. Нанофильтрация, характеризующаяся низкой селективностью к одновалентным ионам, позволяет частично деминерализовать и концентрировать молочную сыворотку. Электродиализ, электромембранный процесс, который использует электрическое поле для разделения ионов из раствора, обладает более высокой эффективностью удаления минеральных веществ и позволяет достигать 90 % уровня деминерализации. Эффективность электродиализа зависит от типа ионов, их концентрации и свойств мембран. Высокая концентрация двухвалентных ионов может привести к замедлению процесса и увеличению продолжительности обработки. Метод ионообмена основан на использовании ионообменных смол – полимерных материалов с функциональными группами, которые могут связываться с ионами (катионами или анионами) в растворе и обменивать свои собственные ионы на ионы из раствора. Также проанализированы варианты сочетания методов деминерализации молочной сыворотки, основанные на типе используемого сырья и требованиях, предъявляемых к готовому продукту.

Demineralized whey has good sensory and functional properties. As a result, it is important on the global market of food ingredients. Demineralized whey is part of numerous formulations, including baby food. As healthy diets and functional foods get more popular, the overall consumption of dairy products continues to grow. New whey processing technologies open greater opportunities for products with increased value. The review features modern industrial methods of whey demineralization, i.e., nanofiltration, electrodialysis, and ion exchange, as well as their advantages and disadvantages. Nanofiltration has low selectivity for monovalent ions, which means it provides only partial demineralization and concentration. Electrodialysis is an electromembrane process that separates ions from a solution with the help of electric field. It is more effective in removing minerals and provides 90% demineralization. However, its efficiency depends on the type of ions, their concentration, and membrane properties. High concentrations of divalent ions slow demineralization down and increase the processing time. The ion exchange method involves exchange resins, i.e., polymeric materials with functional groups that can bind to ions (cations or anions) in the solution and exchange ions. Different whey demineralization methods can be combined based on the type of raw materials and final product.

 молочная сыворотка деминерализация уровень деминерализации нанофильтрация электродиализ ионообмен микрофильтрация whey demineralization demineralization level nanofiltration electrodialysis ion exchange microfiltration

Ozel, B. Challenges in dried whey powder production: Quality problems / B. Ozel [et al.] // Food Research International. Elsevier Ltd. 2022. Vol. 160. 111682. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111682 Ozel, B. Challenges in dried whey powder production: Quality problems / B. Ozel [et al.] // Food Research International. Elsevier Ltd. 2022. Vol. 160. 111682. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2022.111682 Юрова, Е. А. Деминерализованная молочная сыворотка как основное сырье для производства продуктов специализированного питания / Е. А. Юрова, Т. В. Кобзева, С. А. Фильчакова // Пищевая промышленность. 2022. № 3. С. 64–67. https://doi.org/10.52653/PPI.2022.3.3.015; https://www.elibrary.ru/iqsxuo Yurova, E. A. Demineralizovannaya molochnaya syvorotka kak osnovnoe syr'e dlya proizvodstva produktov specializirovannogo pitaniya / E. A. Yurova, T. V. Kobzeva, S. A. Fil'chakova // Pischevaya promyshlennost'. 2022. № 3. S. 64–67. https://doi.org/10.52653/PPI.2022.3.3.015; https://www.elibrary.ru/iqsxuo Paladii, I. Whey: State of the Art. Part II. Processes and Treatment Methods / I. Paladii, Е. Vrabie, C. Sprincean, M. Bologa // Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2021. Vol. 57 № 3. P. 83–101. https://doi.org/10.52577/eom.2021.57.3.83 Paladii, I. Whey: State of the Art. Part II. Processes and Treatment Methods / I. Paladii, E. Vrabie, C. Sprincean, M. Bologa // Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2021. Vol. 57 № 3. P. 83–101. https://doi.org/10.52577/eom.2021.57.3.83 Belleville, M. P. Nanofiltration in the Food Industry / M. P. Belleville [et al.] // Nanofiltration: Principles, Applications, and New Materials. 2021. Vol. 1–2. https://doi.org/10.1002/9783527824984.ch11 Belleville, M. P. Nanofiltration in the Food Industry / M. P. Belleville [et al.] // Nanofiltration: Principles, Applications, and New Materials. 2021. Vol. 1–2. https://doi.org/10.1002/9783527824984.ch11 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 Hofmann, K. Screening and Scale-Up of Nanofiltration Membranes for Concentration of Lactose and Real Whey Permeate / K. Hofmann, C. Hamel // Membranes (Basel). 2023. Vol. 13. № 2. 173. https://doi.org/10.3390/membranes13020173 Hofmann, K. Screening and Scale-Up of Nanofiltration Membranes for Concentration of Lactose and Real Whey Permeate / K. Hofmann, C. Hamel // Membranes (Basel). 2023. Vol. 13. № 2. 173. https://doi.org/10.3390/membranes13020173 Chandrapala, J. Nanofiltration and nanodiafiltration of acid whey as a function of pH and temperature / J. Chandrapala [et al.] // Sepfration Purification Technology Elsevier. 2016. Vol. 160. P. 18–27. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.12.046 Chandrapala, J. Nanofiltration and nanodiafiltration of acid whey as a function of pH and temperature / J. Chandrapala [et al.] // Sepfration Purification Technology Elsevier. 2016. Vol. 160. P. 18–27. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.12.046 Nielsen, E. N. Effect of calcium-binding compounds in acid whey on calcium removal during electrodialysis / Nielsen, E. N. [et al.] // Food and Bioproducts Processing. 2022. Vol. 131. P. 224–234. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2021.11.008 Nielsen, E. N. Effect of calcium-binding compounds in acid whey on calcium removal during electrodialysis / Nielsen, E. N. [et al.] // Food and Bioproducts Processing. 2022. Vol. 131. P. 224–234. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2021.11.008 Okawa, T. Demineralization of whey by a combination of nanofiltration and anion-exchange treatment: A preliminary study / T. Okawa [et al.] // International Journal of Dairy Technology. 2015. Vol. 68, № 4. P. 478–485. http://doi.org/10.1111/1471-0307.12283 Okawa, T. Demineralization of whey by a combination of nanofiltration and anion-exchange treatment: A preliminary study / T. Okawa [et al.] // International Journal of Dairy Technology. 2015. Vol. 68, № 4. P. 478–485. http://doi.org/10.1111/1471-0307.12283 Chegini, G. Whey powder: Process technology and physical properties: A review / G. Chegini, M. Taheri // Middle East Journal of Scientific Research. 2013. Vol. 13 № 10 P. 1377–1387. http://doi.org/10.5829/idosi.mejsr.2013.13.10.1239 Chegini, G. Whey powder: Process technology and physical properties: A review / G. Chegini, M. Taheri // Middle East Journal of Scientific Research. 2013. Vol. 13 № 10 P. 1377–1387. http://doi.org/10.5829/idosi.mejsr.2013.13.10.1239 Володин, Д. Н. Концентрат мицеллярного казеина: принцип фракционирования, свойства и возможности использования / Д. Н. Володин, В. И. Шипулин, И. А. Евдокимов [и др.] // Молочная промышленность. 2022. № 10. С. 44–48. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2022-10-44-48; https://elibrary.ru/yzbuoy Volodin, D. N. Koncentrat micellyarnogo kazeina: princip frakcionirovaniya, svoystva i vozmozhnosti ispol'zovaniya / D. N. Volodin, V. I. Shipulin, I. A. Evdokimov [i dr.] // Molochnaya promyshlennost'. 2022. № 10. S. 44–48. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2022-10-44-48; https://elibrary.ru/yzbuoy Hammam, A. Progress in micellar casein concentrate: Production and applications. Comprehensive Reviews/ A. Hammam, S. Martinez-Monteagudo, Metzger L. // Food Science and Food Safety. 2021. V. 20. I. 5. P. 4211 – 5318. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12795 Hammam, A. Progress in micellar casein concentrate: Production and applications. Comprehensive Reviews/ A. Hammam, S. Martinez-Monteagudo, Metzger L. // Food Science and Food Safety. 2021. V. 20. I. 5. P. 4211 – 5318. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12795 Nielsen, E. N. The effect of acid whey composition on the removal of calcium and lactate during electrodialysis / E. N. Nielsen [et al/] // International Dairy Journal. 2021. Vol. 117. 104985. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.104985 Nielsen, E. N. The effect of acid whey composition on the removal of calcium and lactate during electrodialysis / E. N. Nielsen [et al/] // International Dairy Journal. 2021. Vol. 117. 104985. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.104985 Кравцов, В. А. Классический и биполярный электродиализ в инновационных технологиях переработки творожной сыворотки / И. А. Евдокимов, Л. И. Толмачев, А. Д. Бондарчук [и др.] // Молочная промышленность. 2018. № 9. С. 69–73. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2018-9-69-72, https://elibrary.ru/naidcl Kravcov, V. A. Klassicheskiy i bipolyarnyy elektrodializ v innovacionnyh tehnologiyah pererabotki tvorozhnoy syvorotki / I. A. Evdokimov, L. I. Tolmachev, A. D. Bondarchuk [i dr.] // Molochnaya promyshlennost'. 2018. № 9. S. 69–73. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2018-9-69-72, https://elibrary.ru/naidcl Дыкало, Н. Я. Диафильтрация творожной сыворотки в процессе нанофильтрации / Н. Я. Дыкало, Е. А. Фиалкова, Д. М. Костюков, В. Н. Шохалова // Сыроделие и маслоделие. 2013. № 2. С. 26–27. https://elibrary.ru/pwwmrb Dykalo, N. Ya. Diafil'traciya tvorozhnoy syvorotki v processe nanofil'tracii / N. Ya. Dykalo, E. A. Fialkova, D. M. Kostyukov, V. N. Shohalova // Syrodelie i maslodelie. 2013. № 2. S. 26–27. https://elibrary.ru/pwwmrb Marx, M. Manufacturing of demineralized whey concentrates with extended shelf life: Impact of the degree of demineralization on functional and microbial quality criteria / M. Marx [et al.] // Food and Bioproducts Processing. 2019. Vol. 114. P. 1–11 http://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.10.011 Marx, M. Manufacturing of demineralized whey concentrates with extended shelf life: Impact of the degree of demineralization on functional and microbial quality criteria / M. Marx [et al.] // Food and Bioproducts Processing. 2019. Vol. 114. P. 1–11 http://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.10.011 Евдокимов, И. А. Электродиализ молочной сыворотки. Монография / И. А. Евдокимов, Н. Я. Дыкало, А. В. Пермяков. – Георгиевск: ГТИ (филиал) СевКавГТУ, 2009. – 248 с. Evdokimov, I. A. Elektrodializ molochnoy syvorotki. Monografiya / I. A. Evdokimov, N. Ya. Dykalo, A. V. Permyakov. – Georgievsk: GTI (filial) SevKavGTU, 2009. – 248 s.