Технологии

Влияние производственных процессов на функционально-технологические свойства концентратов сывороточных белков

Д.Н.Володин, В.К.Топалов, И.А. Евдокимов, И.К. Куликова
Северо-Кавказский федеральный университет
Сегодня множество исследований в области питания подтверждает наличие в рационе современного человека дефицита белка по сравнению с другими компонентами пищи – углеводами и жирами. Именно поэтому области использования белковых ингредиентов в последнее время расширяются [1].
22.05.2020

Молочная сыворотка, как и все молочное сырье, является одним из наиболее доступных источников полноценного белка. Благодаря уникальному аминокислотному составу сывороточные белки имеют высокую пищевую ценность и широко используются при разработке современных рецептур функциональных продуктов диетического, спортивного и других видов специального питания. Более того, наблюдается тенденция использования добавок, специально разработанных для обогащения белками таких продуктов, как соусы, хлопья для завтрака и т.д. Особым направлением является использование сывороточных белков в детском питании при создании адаптированных или гуманизированных смесей для питания детей раннего возраста [2]. 

С расширением сферы применения белковых ингредиентов неизбежно возникает вопрос об их доступности на рынке, которая, в свою очередь, зависит от эффективности и доступности технологических приемов, использующихся при производстве белковых ингредиентов. Одной из технологий, которая полностью изменила промышленную переработку сыворотки в целом и сделала процесс получения сывороточного белка экономически и технологически эффективным, была, безусловно, мембранная фильтрация. Изначально основной причиной активного внедрения мембранных процессов стала необходимость обязательной переработки подсырной сыворотки из-за ужесточившихся мер по охране окружающей среды. Наиболее доступной технологией оказалась сушка сыворотки, но процесс был очень энергетически затратен, поскольку в качестве сырья использовалась нативная сыворотка с содержанием сухих веществ порядка 6,5 % [2]. 

Поиск экономичных способов предварительного концентрирования сыворотки перед сушкой и послужил толчком для внедрения мембранной фильтрации в молочную промышленность, в частности, установок обратного осмоса. Следующим шагом была разработка процесса ультрафильтрации для получения из сыворотки продуктов с высокой добавленной стоимостью. И наконец, к концу XX в. были внедрены два других фундаментальных мембранных процесса – нанофильтрация и микрофильтрация. Таким образом, с начала 1970-х годов мембранная обработка используется в той или иной форме на всех современных линиях переработки молочной сыворотки. 

Рынок коммерческих белковых ингредиентов на основе молочной сыворотки представлен концентратами (КСБ), изолятами сывороточных белков (ИСБ), отличающимися содержанием белков в сухом веществе [3], а также гидролизатами сывороточных белков (ГСБ). Распространение микрофильтрации обезжиренного молока привело к появлению нового вида сырья, так называемой нативной или мицеллярной казеиновой сыворотки, и, как следствие, новых продуктов – нативного концентрата и изолята сывороточных белков. Сегодня они мало распространены на рынке, но их популярность активно растет, так как они обладают рядом преимуществ за счет специфичного состава белковой фракции [4]. В пределах указанных категорий концентраты и изоляты сывороточных белков как пищевые ингредиенты характеризуются спектром показателей химического состава (массовая доля влаги, белка, лактозы, жира, золы и др.), безопасности (КМАФАнМ, колиформы, E. сoli, Salmonella и др.), оговариваемых в соответствующей российской и зарубежной технической документации [5, 6]. 


2020-05-22.png

С точки зрения ингредиентов функционального питания спецификации КСБ и ИСБ также обязательно содержат информацию о пищевой ценности продукта: аминокислотный профиль, показатели усвояемости белка (коэффициент эффективности белка (PER), биологическую ценность белка (BV), аминокислотный коэффициент усвояемости белков (PDCAAS)), профиль жирных кислот и углеводов, калорийность. При использовании КСБ и ИСБ в производстве других продуктов питания помимо вышеупомянутых свойств необходимо оценить их функции как пищевого ингредиента (см. таблицу) [7]. И если состав, питательная ценность КСБ и ИСБ в первую очередь зависят от компонентного состава обрабатываемой сыворотки, то функционально-технологические характеристики больше определяются особенностями процессов, используемых для производства продукта. Это обязательно должны учитывать производители белковых ингредиентов. Полная технологическая схема производства КСБ и ИСБ включает комплекс технологических операций от приемки и хранения сырья до упаковки и хранения готового продукта. Конечно, характеристика входящего сырья будет влиять как на качественные показатели готового продукта, так и общий расход сырья на выработку единицы продукции. Расход также будет зависеть от вида вырабатываемого концентрата (см. рисунок).


2020-05-22 (1).png

Из ключевых операций, определяющих качество продукта при одинаковом качестве исходного сырья, можно выделить подготовку сыворотки к переработке, непосредственно мембранное фракционирование сырья методом ультрафильтрации/микрофильтрации и финишные операции, например сушку и др. Целями предварительной обработки сыворотки являются как обеспечение эффективной работы мембранного оборудования, так и сохранение функциональных, технологических свойств и безопасность конечного продукта. Предварительная обработка сыворотки [4] должна обязательно включать очистку от жира и взвешенных частиц и тепловую обработку – пастеризацию или термизацию. Как правило, пастеризация с температурами до 70 °С не приводит к значительным изменениям функциональных свойств, хотя несколько меняет минеральный профиль продуктов, уменьшая содержание кальция и магния [2]. 

Кроме этого могут быть задействованы процессы деминерализации, умягчения, регулировки рН, предварительного концентрирования, удаления фосфата кальция и т.д. Стоимость аппаратурного оформления, эксплуатационные расходы, влияние на белковый компонент сырья этих процессов могут быть весьма значительны, поэтому решение о включении их в типовую линию должно быть тщательно обосновано требованиями к функциональности конечных продуктов. Основной этап технологического цикла – мембранное фракционирование может включать только ультрафильтрационное разделение сыворотки либо сочетание процессов ультра-, диа- и микрофильтрации. Диафильтрация используется при производстве концентратов с высоким содержанием белка, позволяя удалить большую часть лактозы и золы. Микрофильтрация удаляет остаточные липиды из концентратов белка или сыворотки, которые присутствуют не в форме отдельных жировых шариков, а скорее в форме липопротеиновых комплексов. 

Такие комплексы имеют плотность, равную или превышающую плотность водной фазы и, следовательно, не могут быть удалены обычными методами разделения. Микрофильтрация положительно влияет на функциональность белковых концентратов и изолятов, повышая уровень белка в сухом веществе до 90–95 %. Однако включение дополнительной операции увеличивает себестоимость продукта и должно быть обосновано требованиями локального рынка белковых ингредиентов. Общее влияние ультрафильтрации на функциональность сывороточных белков незначительно и не зависит от температурных режимов, хотя [2] отмечалось увеличение воздействия гидрофобных групп белковых молекул без значительной потери растворимости. Все последующие операции, связанные с переработкой жидкого белкового концентрата до сухого продукта, должны быть направлены на сохранение технологических и функциональных свойств готового продукта и проводиться в максимально мягких условиях. Например, необходимо по возможности избегать высокотемпературной обработки непосредственно жидкого концентрата, которая негативно сказывается на эмульгирующей, гелеобразующей способности сухих концентратов и их растворимости [3]. 

Ультрафильтрационные концентраты при производстве высокобелковых ингредиентов характеризуются достаточно высоким содержанием сухих веществ – 24–30 % и более, среди которых основную долю занимают сывороточные белки, т.е. такой концентрат имеет коллоидную природу. Вязкость УФ-концентратов возрастает с увеличением массовой доли белка, снижением температуры и уменьшением сдвиговых воздействий. Чаще всего при нормальных условиях (при 20 °С) вязкость белковых концентратов является величиной непостоянной и продукт проявляет неньютоновский характер течения. При повышении температуры до 50 °С и интенсивном механическом воздействии характер неньютоновского поведения заметно снижается, гидродинамические характеристики улучшаются и обеспечивают требуемый средний размер капель при распылении в сушильной башне. Этот показатель особенно важен при сушке высокобелковых концентратов, содержащих довольно большое количество жира в сухом веществе. Сухие концентраты и изоляты сывороточных белков – очень легкие порошки с высоким содержанием поглощенного воздуха. Для уменьшения его доли при распылении используется форсунка под давлением. 

Тепловые режимы распылительной сушки малоинвазивны: из-за быстрого нагрева и охлаждения за счет испарения внутренняя температура частиц продукта обычно не превышает 60 ° C, т.е. сушка критически не влияет на функциональные свойства концентрата. Тем не менее требуются строгий подбор и соблюдение условий нагрева продукта, подаваемого на сушку, чтобы минимизировать возможность протекания реакции Майяра, вызывающей пороки вкуса и аромата концентратов и продуктов на его основе [8]. При необходимости создания быстрорастворимых концентратов проводится агломерация – процесс создания небольших скоплений частиц, которые обеспечивают повышенную пористость и сокращают время диспергирования порошка в жидкостях. Срок хранения сухих концентратов сывороточного белка зависит от их состава и условий хранения. В зависимости от производителя срок хранения сухих КСБ и ИСБ составляет от 6 до 36 мес при температуре порядка 20– 25 °С, влажности 65–76 %. Что касается состава белковых концентратов, то изменения при хранении главным образом связаны с лактозой: происходят лактозилирование белка, потемнение продукта за счет реакции Майяра. Чем выше содержание лактозы в продукте, тем выше вероятность возникновения функциональных изменений в процессе хранения. Безусловно, и белковая фракция может подвергаться изменениям (частичной денатурации, полимеризации, циклизации), и жировая составляющая (окислению липидов) [2, 8]. 

Но с практической точки зрения контроль содержания свободной лактозы в продукте может действительно помочь быстро определить стабильность сухих концентратов: любое уменьшение содержания свободной лактозы указывает на изменение структурных и (или) функциональных свойств порошков при хранении. Таким образом, значительные объемы качественного сырья и современные технологичные подходы к переработке сыворотки путем использования мембранных процессов, характеризующихся простотой обслуживания, низким энергопотреблением, небольшим сроком окупаемости, делают технологию производства концентратов и изолятов сывороточных белков инвестиционно привлекательной. Особенно учитывая тенденции современного мирового рынка молочных ингредиентов к устойчивому повышению спроса на высокобелковые продукты [1]. 

Примером успешной реализации такого проекта в России является АО «Молвест», на площадке которого в 2019 г. специалистами компаний «ДМП» (Россия) и «Вздухоторг» (Словакия) совместно со специалистами молокоперерабатывающего завода внедрена комплексная линия производства первого российского концентрата сывороточного белка 80 %. Установленное оборудование позволяет предприятию из достаточно дешевого и доступного сырья получать функциональные белковые ингредиенты высокого качества с высокой добавленной стоимостью, не уступающие зарубежным аналогам.

Материалы на портале Milklife.ru по теме: Переработка молочной сыворотки: технологии и оборудование 

РАСШИРЕНИЕ АССОРТИМЕНТА СУХИХ КОНЦЕНТРАТОВ ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ 

КИСЛОМОЛОЧНЫЕ НАПИТКИ НА ОСНОВЕ ПАХТЫ И МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ  

ТЕХНОЛОГИИ МИКРОПАРТИКУЛЯЦИИ – НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА 

РЕСУРСЫ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИННОВАЦИОННОЙ ПРОДУКЦИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛИЗАТОВ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

 

Компании-поставщики оборудования и технологии для переработки подсырной и творожной сыворотки в КАТАЛОГЕ ПОСТАВЩИКОВ МОЛОЧНОЙ ОТРАСЛИ на портале MilkLife.ru:

ООО АЛЬПМА-СЕРВИС

ООО "ДМП"

ООО "КИЗЕЛЬМАНН РУС"

ООО "МЕГА ПРОФИЛАЙН"

АО "РМ НАНОТЕХ"

ООО "ИННОВАЦИОННОЕ ПРЕДПРИТИЕ "ЩЕКИНОАЗОТ

ЗАО Мембранинес Технологиос ЛТ (MTLT)


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Global fundus camera market analysis & trends – industry forecast to 2025, milk protein market [report] accuracy research. 2019. P.313. 
2. Whey Proteins. From Milk to Medicine, 1st Edition, Editors: Hilton C Deeth Nidhi Bansal, Paperback ISBN: 9780128121245, eBook ISBN: 9780128121252. Published Date: 1st September 2018. – 746 p. 
3. Володин, Д.Н. Перспективы производства сухих белковых ингредиентов на основе молочного сырья / Д.Н. Володин, А.С. Гридин, И.А. Евдокимов // Молочная промышленность. 2020. № 1. С. 28–30. 
4. Burrington, K.J. Technical Report: Milk Fractionation Technology and Emerging Milk Protein Opportunities. Доступно по адресу: http://bit.ly/1clImgC https://www.yumpu.com/en/ document/read/32392564/milk-fractionationtechnology-and-opportunities-technical-report. 
5. Swarnalatha, G. Different Approaches to Improve Thermostability of Whey Proteins: A Review / G. Swarnalatha, S. Mor // Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2019. V. 8. № 4. P. 1679–1688. 
6. ТР ТС 033/2013 «О безопасности молока и молочной продукции». 
7. International food standards (FAO/WHO Codex Alimentarius). 8. Carter, B. The effect of spray drying on the difference in flavor and functional properties of liquid and dried whey proteins, milk proteins, and micellar casein concentrates / B. Carter, H. Patel, D.M. Barbano, M. Drake // Journal of Dairy Science. 2018. V. 101. № 5. P. 3900–3909. DOI: 10.3168/jds.2017-13780. Epub 2018 Mar 1.

Источник: журнал "Молочная промышленность". 2020. № 5.