CC BY
136
УДК 637.344.8
Исследование состава и физико-химических свойств концентрата творожной сыворотки, полученного нанофильтрацией
Матвеева Наталия Олеговна, аспирант кафедры технологии молока и молочных продуктов
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Новокшанова Алла Львовна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии молока и молочных продуктов
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Шохалов Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологического оборудования
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»
Ключевые слова: нанофильтрат-концентрат, творожная сыворотка, жир, белок, сухие вещества, лактоза, вязкость, поверхностное натяжение, титруемая кислотность, активная кислотность, кальций, пищевая ценность.
Аннотация. В статье представлены исследования проб нанофильтрата-кон-центрата творожной сыворотки, рассчитана его пищевая и энергетическая ценность. Обоснована целесообразность использования нанофильтрата-концентрата творожной сыворотки в производстве функциональных молочных продуктов.
Инновации в сфере пищевых технологий способствуют поиску путей решения проблем, связанных с экономичным получением продуктов питания, гарантирующих максимальные безопасность и качество.
Применение современных методов переработки сырья в молочной промышленности обеспечивает более полное и рациональное использование всех составных частей молока.
Острый дефицит сырья-молока в молокоперерабатывающей промышленности РФ подталкивает производителей к поиску новых форм комплексной переработки всех побочных продуктов. Критической точкой в молочной промышленности является сыворотка, которая, несмотря на уникальный состав, не используется в производстве в полном объеме большинством молокоперерабатывающих предприятий [1].
В последние несколько лет объем производства молочной сыворотки в России ежегодно увеличивался, однако внутреннее производство сыворотки не покрывает потребление из-за слабого развития переработки. По данным консалтинговой компании «НЭО Центр» в России на пищевые цели используется только 21 % молочной сыворотки. Остальные 79 % направляются либо на корм сельскохозяйственным животным, либо вообще не используются и сливаются на поля или в сточные воды [2].
Также на развитие рынка молочной продукции влияют глобальные потребительские тренды, такие как растущее внимание к заботе о здоровье, увлечение спортом, активным образом жизни и здоровым питанием [3].
Использование баромембранных методов обработки - одна из ведущих тенденций последних лет в развитии молочной промышленности в нашей стране и за рубежом. Эти методы открыли большие перспективы для получения новых видов молочных продуктов и повлекли за собой коренное изменение технологий переработки сыворотки.
Нанофильтрация - один из инновационных энергоэффективных баромембран-ных методов концентрирования и частичного обессоливания растворов. Обработка творожной сыворотки нанофильтрацией позволяет концентрировать лактозу, небелковые азотистые соединения, отдельные минеральные и белковые вещества. Все эти части молока являются легко усваиваемыми компонентами пищевых продуктов.
Концентрат творожной сыворотки, полученный нанофильтацией (НФ-концентрат) отличается высоким содержанием незаменимых аминокислот. Его использование актуально для решения такой проблемы, как дефицит биологически полноценных белков животного происхождения в рационе населения большинства стран, включая Россию. По данным ВОЗ состав молочных белков и, особенно, сывороточных белков, максимально приближен по аминокислотному набору к идеальному белку. Это служит основанием для использования НФ-концентрата в производстве функциональных продуктов питания [4, 5, 6, 7].
Целью настоящей работы было исследование состава и физико-химических свойств НФ-концентрата творожной сыворотки.
Для получения НФ-концентрата использовали сыворотку с титруемой кислотностью (68±2) °Т и рН (4,65±0,05), полученную от производства творога на непрерывно-поточной линии. Сыворотку подвергали обработке при постоянной скорости до давления 27 бар на пилотной нанофильтрационной установке, оснащенной по-
лимерной мембраной с молекулярной массой отсечки 300 Да [6, 7].
Отбор проб сыворотки и НФ-концентрата осуществляли согласно ГОСТ 2680986 [8]. После чего образцы направлялись для исследования физико-химических показателей. Перечень определяемых показателей и методы их анализа представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Исследуемые показатели и методы их определения
Анализируемые показатели Методы исследования
Массовая доля жира, % Инструментальный экспресс-метод определения физико-химических показателей идентификации с применением инфракрасного анализатора MilkoScan РТ 120 по ГОСТ 32255-2013
Массовая доля белка, %
Массовая доля лактозы, % Йодметрический по ГОСТ Р 54667-2011
Массовая доля сухих веществ, % Рефрактометрический по ГОСТ 33957-2016
Титруемая кислотность, °Т Индикаторный по ГОСТ Р 54669-2011
Активная кислотность, рН Потенциометрический по ГОСТ 32892-2014
Содержание кальция, мг % Комплексонометрический по ГОСТ 10398-2016
Плотность, кг/м3 Ареометрический по ГОСТ Р 54758-2011
Поверхностное натяжение, Н-м-1 Сталагмометрический
Вязкость, Па-с Визкозиметрии (визкозиметр Освальда)
Применение баромембранных методов обработки сырья относится к перспективным ресурсосберегающим направлениям молочной промышленности. Сывороточные концентраты, получаемые методом нанофильтрации, являются по сути новым продуктом, показатели качества которого на данный момент не нормируются технической документацией. В основных нормативно-правовых актах, принятых ЕАЭС и распространяющихся на молочную продукцию, отсутствует термин «на-нофильтрат-концентрат», «концентрат, полученный нанофильтрацией». В связи с этим для оценки органолептических показателей была разработана пятибалльная шкала основных потребительских характеристик - внешний вид и консистенция, запах и вкус, цвет. Их описание при максимальных значениях представлено в таблице 2.
Органолептические показатели сыворотки творожной, получаемой в промышленных условиях, соответствовали требованиям действующего стандарта [9].
Таблица 2 - Органолептические показатели сырья
Показатель Характеристика
Сыворотка
Внешний вид и консистенция Однородная непрозрачная или полупрозрачная жидкость с незначительным белковым осадком
Запах и вкус Характерный для молочной сыворотки кислый
Цвет От светло-желтого до бледно-зеленого
НФ-концентрат
Внешний вид и консистенция Однородная прозрачная или полупрозрачная жидкость без осадка
Запах и вкус Легкий сывороточный со сладковато-кислым привкусом
Цвет Светло-желтый
Вследствие частичной деминерализации и увеличения содержания лактозы в процессе нанофильтации полученный концентрат по сравнению с исходной сывороткой обладает лучшими органолептическими показателями, обеспечивающими возможность использования его в составе традиционных молочных продуктов, а также в качестве основы для разработки линейки новых пищевых продуктов, и таким образом возвращает сыворотку в технологическую цепочку предприятия.
Полученные результаты исследования физико-химических показателей представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты физико-химических исследований исходной сыворотки и НФ-концентрата
Показатель Творожная сыворотка НФ-концентрат творожной сыворотки
Массовая доля жира, % 0,05±0,02 0,17±0,02
Массовая доля белка, % 0,46±0,04 2,02±0,04
Массовая доля лактозы, % 4,10±0,02 14,00±0,08
Массовая доля сухих веществ, % 5,72±0,04 18,00±1,00
Титруемая кислотность, °Т 68,0±2,00 164,00±1,00
Активная кислотность, рН 4,65±0,05 4,40±0,40
Содержание кальция, мг/100 г 53,94±2,00 227,81±2,00
Плотность, кг/м3 1023,70±1,00 1090,00±1,00
Поверхностное натяжение, Н-м-1 (52,00±2,00)-10_3 (52,99±02,00)-10_3
Вязкость, Па-с (1,55±0,01)-10_3 (2,22±0,01)-10_3
Из таблицы видно, что основной составной частью сухих веществ молочной сыворотки является лактоза. Массовая доля лактозы в НФ-концентрате по сравнению с исходной сывороткой увеличилась в 4,5 раза, с 4,1 до 14 %. Усвояемость молочного сахара составляет от 98,0 до 99,7 %, а медленное ее расщепление в пищеварительном канале способствует нормализации и поддержанию жизнедеятельности полезной микрофлоры в кишечнике человека. В конечном итоге это способствует предупреждению развития гнилостных процессов и детоксикации организма.
Биологическая ценность молочной сыворотки обусловлена также содержанием сывороточных белков. Установлено, что при нанофильтрации сыворотки до массовой доли сухих веществ 18 % массовая доля белка концентрировалась с 0,46 до 2,0 %. Это наиболее ценные белки молока с полным набором незаменимых аминокислот. Таким образом, НФ-концентрат целесообразно использовать в качестве молочной основы для производства углеводно-белковых продуктов.
Выявлено, что в НФ-концентрате сыворотки при повышении титруемой кислотности почти в 2,5 раза рН изменяется на 0,25 единицы, но на органолептиче-ские показатели это не оказало влияния.
Следствием увеличения массовой доли сухих веществ стало изменение показателя вязкости, влияющего на консистенцию и устойчивость дисперсной системы, что следует учитывать в дальнейшем процессе переработки НФ-концентрата, формировании стабильной структуры продукта, определении сроков его годности и пр.
Показатели поверхностного натяжения сыворотки при нанофильтрации изменились незначительно, в пределах допустимой погрешности метода определения.
Результаты исследования степени удаления минеральных солей из творожной сыворотки при нанофильтрации показали, что деминерализация сыворотки про-
исходит в основном за счет удаления одновалентных ионов N8+ и К+. Для многовалентных ионов значения деминерализации намного ниже [7]. К таким элементам относится кальций.
Кальций является важнейшим биогенным макроэлементом в организме человека. В костной ткани содержится около 98 % всего кальция, имеющегося в организме; второе место по содержанию этого иона занимают мышцы. Концентрация кальция в крови является жестко детерминированной константой при норме 2,3-2,8 ммоль/л. Вне костной системы этот элемент играет исключительно важную роль. Он входит в состав многочисленных кальцийсодержащих соединений: белков, ферментов, витаминов, гормонов, комплексов с аминокислотами и др.
К основным функциям кальция в организме относятся: регуляция нервной и нервно-мышечной проводимости; регуляция работы сердечно-сосудистой системы; деятельности антистрессорных механизмов; обеспечение функционирования сенсорных систем; регуляция выработки ряда ферментов и гормонов; формирование костей, дентина и эмали зубов; регуляция состояния покровных тканей; участие в выведении из организма токсинов, тяжелых металлов, радиоактивных элементов; коагуляция крови; обеспечение эффективности функционирования иммунной системы; оказывать противовоспалительное, противоаллергическое действие и др. [10].
Наиболее важным источником кальция в питании человека являются молоко и молочные продукты, которые обеспечивают 70-80% потребления кальция, что обусловлено не только его высоким содержанием в этих продуктах, но и хорошей биодоступностью [10].
Исследованием НФ-концентрата установлено значительное повышение содержания Са - до (227,81±2,00) мг/100 г по сравнению с исходной сывороткой (53,94±2,00) мг/100 г. Полученные результаты позволяют позиционировать данный вид сырья в качестве дополнительного источника кальция. В 100 граммах НФ-концентрата содержится более 20 % от суточной нормы физиологической потребности в данном веществе [11, 12].
Анализ полученных результатов и показателей, представленных в таблице 3, показал, что наиболее значимыми в плане пищевой ценности полученного НФ-концентрата являются кальций, белок и лактоза.
На основании полученных данных в соответствии с требованиями, предъявляемыми к пищевым продуктам при маркировке [13], рассчитана энергетическая ценность НФ-концентрата (табл. 4).
Таблица 4 - Пищевая и энергетическая ценность НФ-концентрата творожной сыворотки
Наименование продукта Содержание в 100 г Энергетическая ценность (калорийность), кДж/ ккал
белка жира углеводов
НФ-концентрат творожной сыворотки 2,0 0,2 14,0 280,0/65,0
Результаты теоретических и экспериментальных исследований состава и физико-химических свойств НФ-концентрата творожной сыворотки дают основание предположить, что данное молочное сырье целесообразно использовать в составе специализированных продуктов питания для повышения качества и пищевой ценности производимого продукта и придания функциональной направленности, в
частности, по содержанию полноценных сывороточных белков и кальция.
Применение НФ-концентратов в производстве традиционных молочных продуктов и в качестве основы для разработки новых пищевых продуктов обеспечивает целевое использование молочного сырья в замкнутом технологическом цикле, что также решает экологические проблемы, возникающие в связи с утилизацией молочной сыворотки.
Список литературы:
1. Новокшанова, А.Л. Подбор ингредиентов рецептуры белково-углеводного геля для питания спортсменов на основе концентрата творожной сыворотки, полученного нанофильтрацией / А.Л. Новокшанова, В.А. Шохалов, Н.О. Матвеева, А.А. Абабкова, В.Н. Родионов // Молочнохозяйственный вестник. - 2019. - №3 (35). - С. 140-149.
2. 10 графиков о состоянии рынка молочной сыворотки. URL: https://milknews. ru/analitika-rinka-moloka/rinok-moloka-v-Rossii/grafiki-syvorotka-rf.html/ свободный (дата обращения: 22.07.2020).
3. Главные тенденции на рынке молочной продукции России и мира. URL: https:// www.retail.ru/tovar_na_polku/glavnye-tendentsii-na-rynke-molochnoy-produktsii-rossii-i-mira/ свободный (дата обращения: 22.07.2020).
4. Шевчук, В.Б. Перспективы внедрения ресурсосберегающих технологий в молочной промышленности в условиях импортозамещения / В.Б. Шевчук,
B.А. Шохалов и др. // Инновации в технологии продуктов здорового питания: Сборник научных трудов. - Калининград: ФГБОУ ВО «КГТУ», 2017. -
C. 56-61.
5. Шевчук, В.Б. Ресурсосберегающие технологии / В.Б.Шевчук, Н.А. Медведева, В.А. Шохалов // Молочная промышленность. - 2015. - №6. - С. 40-41.
6. Состав НФ-концентратов творожной сыворотки / В.Н. Шохалова, А.А. Кузин, Н.Я. Дыкало, В.А. Шохалов // Молочная промышленность. - 2014. - № 12. - С. 56-57.
7. Деминерализация и нейтрализация творожной сыворотки в процессе на-нофильтрации / В.Н. Шохалова, А.А. Кузин., Н.Я. Дыкало, Е.Ю. Неронова,
B.А.Шохалов // Молочнохозяйственный вестник. - 2016. - №1(21). - С. 98-104.
8. ГОСТ 26809-86. Молоко и молочные продукты. Правила приемки, методы отбора и подготовка проб к анализу. - М.: Стандартинформ, 2012. - 12 с.
9. ГОСТ 34352-2017 Сыворотка молочная - сырье. Технические условия. Milk whey - raw material. Specifications: межгосударственный стандарт: издание официальное: введен 2018-09-01 / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Москва: Стандартинформ, 2018. - 8 с.
10. Кожевникова, Е.Н. Значение кальция в питании детей / Е.Н. Кожевникова, С.В. Николаева // Вопросы современной педиатрии. - 2010. - №5. -
C. 95-98.
11. ГОСТ Р 52349-2005 Продукты пищевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения (с Изменением № 1). - М.: Стандартинформ, 2005. - 11 с.
12. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации. Методические ре-
комендации. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспо-требнадзора, 2009. - 36 с.
13. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 022/2011 «Пищевая продукция в части ее маркировки». Утвержден решением Комиссии Таможенного союза № 881 от 9 декабря 2011 г.
References:
1. Novokshanova A.L., Shokhalov V.A., Matveeva N.O., Ababkova A.A., Rodionov V.N. Selection of ingredients for the formulation of protein-carbohydrate gel based on curd whey concentrate, being produced by nanofiltration and intended for athletes ' nutrition. Molochnokhozyaystvennyy vestnik [Dairy Bulletin], 2019, no. 3 (35), pp. 140-149. (in Russian)
2. 10 Grafikov o Sostoyanii Rynka Molochnoy Syvorotki (10 Diagrams on the Whey Market Condition). Available at: https://milknews.ru/analitika-rinka-moloka/rinok-moloka-v-Rossii/grafiki-syvorotka-rf.html/ (accessed 22.07.2020).
3. Glavnye Tendentsii na Rynke Molochnoy Produktsii Rossii i Mira (Main Trends in the Dairy Market of Russia and the World). Available at: https://www.retail.ru/tovar_ na_polku/glavnye-tendentsii-na-rynke-molochnoy-produktsii-rossii-i-mira/ accessed 22.07.2020)
4. Shevchuk V.B., Shokhalov V.A. Prospects for introducing resource-saving technologies in dairy industry under import substitution. Sbornik nauchnykh trudov "Innovatsii v tekhnologii produktov zdorovogo pitaniya" [Proc. of the Collection of Scientific Papers "Innovations in technology of healthy food products]. Kaliningrad, 2017, pp. 56-61. (in Russian)
5. Shevchuk V.B., Medvedeva N.A., Shokhalov V.A. Resource Saving Technologies. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2015, no. 6, pp. 40- 41. (in Russian)
6. Shokhalova V.N., Kuzin A.A., Dykalo N.Ya., Shokhalov V.A. Composition of whey NF-concentrates. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2014, no. 12, pp. 5657. (in Russian)
7. Shokhalova V.N., Kuzin A.A., Dykalo N.Ya., Neronova E.Yu., Shokhalov V.A. Demineralization and neutralization of cottage cheese whey in the process of nanofiltration. Molochnaya promyshlennost' [Dairy Industry], 2016, no. 1(21), pp. 98104. (in Russian)
8. State Standard 26809-86. Milk and dairy products. Acceptance rules, sampling methods, and sample preparation for analysis. Moscow, Standartinform Publ., 2012. 12 p. (in Russian)
9. State Standard 34352-2017. Milk whey as a raw material. Technical Specifications. Milk whey - raw material. Specifications: International Standard: Official Publication. Moscow, Standartinform Publ., 2018. 8 p. (in Russian)
10. Kozhevnikova E.N., Nikolaeva S.V. Calcium Significance in Children's Nutrition. Voprosy Sovremennoy Pediatrii [Issues of Modern Pediatrics], 2010, no.5, pp. 95-98.
11. State Standard R 52349-2005 Food Products. Functional food products. Terms and definitions (with amendments no. 1). Moscow, Standartinform Publ., 2005. 11p. (in Russian)
12. Normy fiziologicheskikh potrebnostey v energii i pishchevykh veshchestvakh dlya razlichnykh grupp naseleniya Rossiyskoy Federatsii. Metodicheskie rekomendatsii. [Standard of Physiological Needs in Energy and Food Substances for Various Population
Groups of the Russian Federation. Methodical recommendation]. Moscow, Federal Center for Hygiene and Epidemiology of Rospotrebnadzor, 2009. 36 p.
13. Technical Regulations of the Customs Union TR CU 022/2011 "Food products in terms of their labeling". Approved by the decision of the Customs Union Commission, no. 881, dated December 9, 2011.
Research of composition and physical-chemical properties of curd whey concentrate obtained by nanofiltration
Matveeva Nataliya Olegovna, post-graduate student of the Milk and Dairy Product Technology Chair
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Novokshanova Alla L'vovna, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of Milk and Dairy Product Technology Chair
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Shokhalov Vladimir Alekseevich, Candidate of Science (Technics), Associate Professor of Milk and Dairy Product Technology Chair
e-mail: [email protected]
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education the Vereshchagin State Dairy Farming Academy of Vologda
Keywords: nanofiltrate-concentrate, curd whey, fat, protein, dry matter, lactose, viscosity, surface tension, titratable acidity, active acidity, calcium, nutritional value
Abstract: The article presents studies of nanofiltrate-curd whey concentrate samples as well as its calculated nutritional and caloric value. It shows the expediency of using nanofiltrate-curd whey concentrate in the production of functional dairy products.
