CC BY
164
Варивода А.А.
Кандидат технических наук, доцент, Кубанский государственный аграрный университет МОЛОЧНАЯ СЫВОРОТКА МЕМБРАННОЙ ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВЛЕНЫХ СЫРОВ
Аннотация
Работа представляет собой рассмотрение проблемы полного и рационального использования молочной сыворотки. Основное внимание уделено мембранной фильтрации. Рассмотрены методы мембранного разделения сыворотки, такие как обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация.
Предложены новые рецептуры плавленых сыров с использованием сыворотки, обработанной баромембранными методами (NF и ОО) и электродиализом (ЭД).
Ключевые слова: молочная сыворотка, сывороточные белки, твердая фракция (ретентат), фильтрат (пермеат),
микрофильтрация ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос.
Varivoda A.A.
Candidate of Technical Sciences, associate professor, Kuban state agrarian university WHEY OF MEMBRANE PROCESSING IN TECHNOLOGY OF PROCESSED CHEESES
Abstract
Work is a consideration of the problem of complete and rational use of whey focuses on the membrane filtration. A review of the methods of membrane separation serum such as reverse osmosis, nanofiltration, ultrafiltration and microfiltration.
Proposed new processed cheese recipe using serum treated membrane methods (NF and ro) and dialysis (ED).
Keywords: whey, whey protein, the solid fraction (retentate), the filtrate (permeate), microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, reverse osmosis.
Среди продуктов питания молоко занимает почти ведущее место благодаря содержанию хорошо усвояемых биологически полноценных белков, жиров, молочного сахара (содержащегося только в молоке), минеральных веществ, витаминов и микроэлементов. В основном, это коровье молоко, производство которого в мире достигло свыше 500 млн. тонн. Великий русский физиолог И.П.Павлов образно назвал молоко «изумительной пищей, приготовленной самой природой», молоко сопровождает человека всю его жизнь - от рождения до глубокой старости, усвояемость очень высокая (98-99%).
Но с ростом населения земного шара в последние годы неуклонно возрастает потребность в молочном сырье, молоко становится все более дефицитным и дорогим, цены на молоко резко возросли, как в мировом масштабе, так и в России, где закончилась эпоха дешевого молока.В России в промышленных масштабах производится только молоко крупного рогатого скота -коровье молоко. В таблице 1 показаны производство и потребление молока в России и странах с развитой молочной промышленностью.
Таблица 1 - Производство и потребление молока в России и странах с развитой молочной промышленностью
Страна Валовое производство молока, млн.т Средний удой, кг/год Базисная массовая доля, % Производство на душу населения, кг/год Потребление на душу населения, кг/год
жир белок
1 2 3 4 5 6 7
Великобритания 17,0 4900 4,0 3,2 289 340
Франция 33,0 3200 4,1 3,2 599 492
США 65,0 5800 3,5 3,1 272 256
Россия 31,0 3015 3,5 2,8 227 235
Данные таблицы 1 свидетельствуют о значительном отставании России в производстве и потреблении молока от стран с развитой молочной промышленностью, а если вспомнить более ранние периоды, тогда потребление молока на душу населения составляло в 1965г - 250кг, в 1969г - 304кг.
К сожалению, тенденция к снижению производства на душу населения молока и молочных продуктов на ближайшее время сохраняется, в связи с чем ведутся поиски дополнительных источников животных белков к рациону питания. Хорошим дополнительным источником животного белка, в частности молочного, являются белки молочной сыворотки, так называемые сывороточные белки. Сыворотку получают при переработке молока на сыр и творог, но при этом только 20% массы молока переходит в основной продукт, а 80% - это сыворотка, которую перестали, наконец-то, считать отходом производства. Теперь сыворотку уважительно называют белково-углеводным вторичным молочным сырьем, являющимся полноценным источником биологически ценных компонентов молока. Особенно уникальным является азотсодержащий комплекс, представленный белковыми веществами (протеины) и небелковыми соединениями, и занимающий в массе сухого вещества до 15% (таблица 2).
Таблица 2 - Состав цельного молока и сыворотки
Состав Цельное молоко Подсырная сыворотка Творожная сыворотка
1 2 3 4
Сухое вещество, % в том числе 12,1 6,3 5,4
молочный жир 3,6 0,2 0,1
белки 3,2 0,7 0,6
молочный сахар 4,8 4,8 4,7
минеральные в-ва 0,6 0,52 0,6
Общий азот, мг/г - 1,3 1,2
Небелковый азот, мг/г - 0,34 0,34
Белковый азот, мг/г - 0,95 0,85
Растворимый азот, мг/г 1,3 1,18
Небелковый азот, % к общему азоту - 26,2 28,6
Кислотность, 0Т 19 20 60-75
Витамин Вь мг/кг 0,4 0,31 0,3
Витамин В2, мг/кг 1,5 1,4 1,1
Витамин С, мг/кг 15 5,0 5,0
Энергетическая ценность, ккал 616 242 232
Из таблицы 2 видно, что основными и наиболее ценными компонентами молочной сыворотки являются липиды, белки и углеводы. Кроме основных, в сыворотку переходят минеральные соли молока, небелковые азотистые соединения, витамины, ферменты, гормоны, иммунные тела, органические кислоты, то есть почти все соединения, обнаруженные в настоящее время в молоке (всего в сыворотке обнаружено более 200 жизненно важных питательных и биологически активных веществ, среди них
80
очень ценные а-лактоглобулин, Р-лактоальбумин, альбумин сыворотки крови, иммуноглобулин и протозопептоны, а также следы железосодержащих белков). Все эти вещества составляют 25% от общего количества белков сыворотки.
В молочной сыворотке содержатся все незаменимые аминокислоты, количество которых показано в таблице 3.
Таблица 3 - Общее содержание аминокислот в молочной сыворотке, мг/л
Сыворотка Аминокислоты
свободные в белках
всего в том числе всего в том числе
незаменимые незаменимые
Подсырная 132,7 51,0 6490 3326
Творожная 450,0 356,0 5590 2849
По меткому определению профессора К.С. Петровского молочная сыворотка при минимуме калорий (242 ккал) имеет максимум биологической и физиологической полноценности.
Общее содержание аминокислот в подсырной и творожной сыворотке примерно одинаково. Однако в творожной сыворотке содержится в 3,5 раза больше аминокислот и в 7 раз больше незаменимых свободных аминокислот (в основном за счет валина, фенилаланина, лейцина, изолейцина), чем в подсырной. Это можно объяснить тем, что при производстве творога происходит более интенсивный гидролиз белков, чем при производстве сыра. Содержание свободных аминокислот в подсырной сыворотке в 4 раза больше, чем в исходном молоке, а в творожной - в 10 раз.
Сывороточные белки по биологической ценности превосходят казеин. Содержание незаменимой серосодержащей аминокислоты цистина в глобулине в 7, в альбумине в 19 раз выше, чем в казеине. В альбумине и глобулине больше лизина, который играет определенную роль в защитных реакциях организма.
Сывороточные белки служат дополнительным источником аргинина, гистидина, триптофана и лейцина. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, используемым организмом для структурного обмена, в основном для регенерации белков печени, образования гемоглобина и белков плазмы крови.
С физиологической точки зрения сывороточные белки более полноценны, чем белки растительного происхождения. Живой организм способен быстро переваривать сывороточный белок, причем без образования балластных веществ, усвояемость основных компонентов выше 98%.
Углеводный состав молочной сыворотки и молока аналогичен. Основным углеводом сыворотки является лактоза -уникальный вид молочного сахара. Из органических кислот в ней присутствуют молочная, лимонная и летучие жирные - уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная.
Таким образом, молочная сыворотка является полноценным пищевым и фармакологическим сырьем и несомненно представляет интерес для переработчиков молока, если учесть что в России ресурсы сыворотки составляют более 3,5 млн. т в год (в мире по данным ММФ - более 130 млн.т). Российские резервы сывороточных белков равны 24,5 тыс. т в год, молочного сахара 168 тыс.т в год. Но используется в России сыворотка крайне плохо - только на 35%, в основном она идет на кормовые цели или сливается в канализацию, что уже является преступлением перед экологией и человечеством.
Сброс сыворотки в водосборные колодцы из-за высоких значений ХПК (50,5 - 54 гр О на 1 л) и БПК (32-39 гр О2 на 1л) в большинстве стран, занимающихся переработкой молока, запрещен. Затраты на очистку сточных вод, загрязненных молочным предприятием, перерабатывающим 100 т молока в сутки, равноценны расходам на очистку сточных вод города с населением 80 тыс. человек.
Проблема полного и рационального использования молочной сыворотки существует во всем мире, независимо от форм собственности и системы экономических отношений. В странах с развитой молочной промышленностью (Франция, Италия и др.) от 65 до 95% получаемой сыворотки идет на производство сухой сыворотки, концентратов и заменителей цельного молока. Так, США ежегодно производят более 500 тыс. т сухой сыворотки, в России - немного более 2 тыс.т. Поэтому в нашей стране проблема переработки молочной является очень острой и актуальной. Что же сдерживает решение этой проблемы?
1. Самое главное - срабатывает стереотип невыгоды от переработки дешевой сыворотки, так как за нее платят копейки (1т -110руб), а это ведь 50% сухих веществ цельного молока (1т стоит от 13000 до 17000 руб). Право - ходим по золоту, а выбрасываем его в канализацию.
2. Отсутствие экономически выгодных технологий переработки сыворотки.
3. В России не было современного оборудования для переработки сыворотки, особенно соленой, так как около 30% сыворотки получают при производстве сыров Российский, Голландский и некоторых других видов, в технологии которых предусмотрена посолка поваренной солью в сыродельных ваннах, при этом соль переходит в сыворотку. К тому же сыворотка обладает природной соленостью (0,5-0,6%), что при сушке увеличивает концентрацию солей до 10% и реализация такой сыворотки очень затруднена.
4. Отсутствие в торговле многофункциональных продуктов питания на основе молочной сыворотки и рекламы здорового образа жизни при употреблении этих продуктов.
5. Либерализм экологической службы в вопросах сброса сыворотки в сточные воды без ее обработки. Ведь взимать с предприятий экологические штрафы за слив сыворотки в водоемы им гораздо выгоднее, чем участвовать в организации глубокой переработки этой сыворотки, в то время как в Европе считается более выгодным получать из сыворотки различные продукты, даже при высоком уровне стоимости энергоносителей.
Переработка молочной сыворотки в Европе направлена, в первую очередь, на производство продуктов питания, и в нашей стране эта проблема в последние 15-20 лет успешно реализуется, в связи с приобретением рядом крупных компаний оборудования для комплексной переработки молочной сыворотки с применением инновационных технологий обработки, а именно, мембранной фильтрации.
Мембранные процессы основаны на фракционировании многокомпонентного жидкого субстрата с помощью мембраны различной пористости, разделяющих систему на фракции: «концентрат» (ретентат) и «фильтрат» (пермеат), при этом полупроницаемые мембраны являются своего рода «молекулярным ситом», проницаемым для молекул, диаметр которых меньше диаметра пор мембраны, и задерживающим более крупные молекулы. И в первую очередь внедрение этих процессов связано с безотходностью производства и переработкой молочной сыворотки.
В зависимости от поставленных задач применяются следующие методы мембранного разделения сыворотки:
1. Микрофильтрация (МФ) - удаление бактерий разделением макромолекул.
2. Ультрафильтрация (УФ) - концентрация крупных молекул и макромолекул.
3. Нанофильтрация (НФ) - концентрация органических компонентов посредством удаления части моновалентных ионов, например, натрия и хлора (частичная деминерализация).
4. Обратный осмос (ОО) - концентрирование растворов посредством удаления воды.
81
Рис. 1 - Методы мембранного разделения сыворотки
Во всех вышеназванных методах используется поперечная мембранная фильтрация потока, при которой загружаемый раствор пропускается сквозь мембрану под давлением. Раствор проходит через мембрану, а твердая фракция (ретентат) задерживается, в то время как фильтрат (пермеат) удаляется.
82
Рис. 2 - Схема баро- и электромембранной обработки сыворотки при производстве сухой сыворотки
В схеме (рисунок 2) на первом этапе сырая сыворотка проходит предварительное сгущение до массовой доли сухих веществ 20-22% в нанофильтрационной установке (NF) - это так называемое холодное концентрирование при температуре 18-200С, при котором происходит частичная деминерализация сыворотки (до 30%) и снижение кислотности, что снижает нагрузку на электродиализную установку (ЭД) и повышает эффективность ее работы.
Подсгущенная сыворотка (ретентат) подвергается деминерализации (окончательному обессоливанию) в электродиализной (ЭД) установке Мега (Чехия) до требуемого уровня деминерализации 50,70,90%. Кислотность также снижалась в обработанной мембранными методами сыворотке в 2 раза, в сухой в 5,6 раз. Баланс компонентов молочной сыворотки при ее мембранной обработке показан в таблице 4.
Таблица 4 - Компоненты молочной сыворотки при обработке мембранными методами
Показатели, % Сыворотка сырая Сыворотка подсгущенная С.В.20% Сыворотка деминерализованная Сыворотка сухая С.В.95%
70% 90% 70% 90%
Нативный белок 0,61 2,28 2,23 2,21 15,2 15,2
Небелковый азот 0,2 0,46 0,46 0,46 - -
Лактоза 4,0 13,65 13,68 13,67 78,0 78,0
Молочная кислота 0,85 2,60 0,46 0,47 0,15 0,15
Жиры 0,06 0,16 0,16 0,15 1,03 1,03
Зола 0,52 1,98 0,62 0,24 2,65 1,0
Сухие вещества 6,24 21,13 17,61 17,2 96,13 95,4
После ЭД-обработки в пермеате деминерализованной сыворотки остается более 2% белка и молочный сахар, удалить которые стало возможным на обратно-осмотической установке «Полишер» с мембранами диаметром пор 10"4 - 10"3 мкм и использовать в производстве.
Для эффективной работы NF и ЭД-установок необходимы следующие условия:
• центробежная очистка сыворотки-сырья от казеиновой пыли и жира;
• минимальное время хранения сыворотки до переработки - не более 2-х часов при температуре (4±2)0С;
• температура пастеризации сыворотки не должна превышать 720С во избежание денатурации сывороточных белков;
• постоянный контроль уровня содержания молочной кислоты в процессе обработки и сушки.
Обработка сыворотки баромембранными методами (NF и ОО) и электродиализом (ЭД) открывает широкие перспективы для использования сухой или концентрированной обессоленной сыворотки, как составной части натурального молока, для введения в рецептуры традиционных молочных продуктов, в частности, плавленых сыров, представляющих в настоящее время широкую гамму ассортимента. Белково-углеводные компоненты молочной сыворотки, в отличие от компонентов немолочного происхождения, получивших в последнее время очень широкое распространение, повышают биологическую и питательную ценность плавленых сыров. И что еще немаловажно - традиционные продукты, обогащенные продуктами переработки сыворотки, экономически более выгодны, так как за счет максимального использования вторичного молочного сырья себестоимость плавленых сыров ниже на 20-25%, а производство и ассортимент плавленых сыров в последнее время значительно расширились за счет крупных игроков на российском рынке («Хохланд» и др.) и составляет в настоящее время свыше 15% в объеме всей сырной продукции.
83
Литература
1. Евдокимов И.А. Развитие мембранных технологий: рациональность и безотходность / И.А. Евдокимов // Молочная промышленность. -2010. - №12. - С. 60-65.
2. Учебное пособие «Технология хранения и переработки молока и молочных продуктов». - Варивода А.А., Овчарова Г.П. -Saarbrucken: Ра1тагшт, 2013. - 246-250 с.
3. Рогов И.А. Перспективные направления переработки вторичных ресурсов / И.А. Рогов, Е.И. Титов, Н.А. Тихомирова // Переработка молока. - 2010. - № 2. - С. 16-17.
Волосухин В. А.1, Тищенко А. И.2, Чертов В. В.3
'Доктор технических наук, профессор, Новочеркасская государственная мелиоративная академия; 2кандидат технических наук, доцент, Новочеркасская государственная мелиоративная академия; Соискатель.
ПРИМЕНЕНИЕ ФИБРОБЕТОНА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Аннотация
В статье рассмотрено применение бетона с неметаллическим заполнителем и неметаллической арматурой для строительства, реконструкции и ремонта гидротехнических сооружений (в частности, причальных стен) для увеличения их срока службы и повышения надёжности.
Ключевые слова: причальная стенка, фибробетон, металлический шпунт «Ларсен 5 - УМ», добавки, стыки.
Volosuhin V. A.1, Tishencko A. I.2, Featuresov V. V.3
'Doctorate engineering science, the professor, Novocherkassk state meliorative academy; Candidate engineering science, the senior
lecturer, Novocherkassk state meliorative academy; 3withselector.
APPLICATION FIBROID CONCRETE FOR INCREASE IN SERVICE LIFE OF BERTHING CONSTRUCTIONS
Abstract
In clause(article) application of concrete with a nonmetallic filler and nonmetallic armature for construction, reconstruction and repair of hydraulic engineering constructions (in particular, berthing walls) for increase in their service life and increase of reliability is considered.
Keywords: a berthing wall, fibroid concrete, metal шпунт «Larsen 5 - UM», additives, joints.
Современное строительство требует применения новых бетонов (нанобетонов), обеспечивающих высокую прочность изготовляемых конструктивных элементов и способствующие продлить жизненный цикл сооружений, пробывших в эксплуатации более 50 лет.
Практика обследования и исследования ряда сооружений и зданий, изготовленных из бетона и железобетона, показала, что в настоящее время значительная часть зданий и гидротехнических сооружений находится в ограниченно работоспособном состоянии, а некоторые сооружения полностью исчерпали весь свой эксплуатационный ресурс и достигли своих предельных состояний.
Термин «нанобетон» появился в последние годы в связи с возникновением программных работ в области нанотехнологий. Нанобетон представляет собой состав, который включает группу наноматериалов, позволяющих управлять набором свойств строительных композиций на основе минеральных вяжущих и не является каким-то определенным ярким составом, реализующим узкую строительную задачу.
В состав нанобетона могут входить как металлические армирующие волокна (фибры), так и не металлические (базальтовая микрофибра, фибры из стеклянного роулинга, древесные волокна и др.). В качестве связующих материалов (помимо цемента) -кислотно-зольные вяжущие, гипсы, термореактивные смолы и т. д. Такие бетоны получили название «фибробетоны».
Фибробетон - принципиально новый вид бетона - как и традиционный бетон, представляет собой композиционный материал, включающий дополнительно распределенный в объеме волоконный наполнитель. По таким показателям, как прочность на растяжение и срез, ударная и усталостная прочность, трещиностойкость, вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость и ряду других, фибробетон в несколько раз превосходит традиционный, что обеспечивает его высокую эффективность при применении в строительных конструкциях. Важнейшей характеристикой фибробетона является прочность на растяжение.
Неорганические вяжущие обладают определенными клеющими способностями, и их функции состоят в склеивании в единое целое отдельных составляющих. Качество сцепления связующего с заполнителем, в итоге, и определяет свойства бетонной композиции. Нарушение склеивания может произойти по причине слабой адгезии компонентов (инертных заполнителей) бетонной смеси и цементной матрицы либо когезии (снижения прочности, связанного с возникновением напряженных участков клеящей матрицы в силу нарушения размеров «клеящего» слоя).
На рисунке 1 представлены два типа армированного бетона и образование трещин при действии усилия на центральное растяжение:
а) бетон, армированный стальной арматурой
Прочность цементного камня на разрыв при изгибе существенно ниже прочности при сжатии. Дисперсное армирование бетонной матрицы позволяет в значительной степени снизить основные недостатки бетона: низкую прочность при растяжении, изгибе, хрупкость разрушения, улучшить способность воспринимать знакопеременные (инерционные) воздействия. Дисперсное
84
