Урок 32-33. Изучение мембранных методов обработки молочного сырья

Практическая работа №4

Цель работы: изучить мембранные методы обработки молочного сырья.

За последнее десятилетие в ряде зарубежных стран и у нас все большее признание и развитие получают мембранные методы обработки молочного сырья. С использованием мембран техники вырабатывают концентраты сывороточных белков различного назначения, напитки, производят концентрирование, деминерализацию и другие операции. Перспективность применения указанных методов в молочной промышленности обусловлена минимальным денатурирующим воздействием их на белки.

Методы мембранного разделения в молочной промышленности предназначены для выполнения различных задач:

– Обратный осмос (00) - концентрирование растворов посредством удаления воды (дегидратация сыворотки, фильтрата УФ и конденсата УФ);

– Нанофильтрация (НФ) - концентрация органических компонентов посредством удаления части моновалентных ионов, например, натрия и хлора (частичная деминерализация применяется, когда требуется частичное обессоливание сыворотки, фильтрата УФ или концентрата УФ);

– Ультрафильтрация (УФ) – концентрация крупных молекул и макромолекул (обычно применяется для концентрации молочных протеинов в молоке и сыворотке и для нормализации по содержанию белка при производстве сыров, йогуртов и некоторых других продуктов);

– Микрофильтрация (МФ) – удаление бактерий и отделение макромолекул (в основном применяется для уменьшения количества бактерий в обезжиренном молоке, сыворотке и рассоле, а также для обезжиривания сыворотки, предназначенной для приготовления концентрата сывороточного белка (КСБ) и для фракционирования белков).

Во всех вышеназванных методах используется поперечная мембранная фильтрация потока, при которой загружаемый раствор пропускается сквозь мембрану под давлением. Раствор проходит через полупроницаемую мембрану, а твердая фракция (ретентат) задерживается, в то время как фильтрат (пермеат) удаляется.

Мембранные технологии применяют при производстве: мягких сыров, сыров без созревания; творога; питьевого молока, «стерилизованного» без тепловой обработки, водоподготовке, регенерации сырного рассола и моющих растворов, очистке сточных вод, для фракционирования казеиновых и сывороточных белков. С помощью этих технологий возможно получение белковых концентратов молока или молочной сыворотки. Так, сообщается о практическом применении процесса разделения белков подсырной сыворотки с последующей их тепловой обработкой при получении продукта, по вкусу имитирующего молочный жир.

Сообщается также о крупнотоннажных установках, работа которых основана на исследуемых методах: для получения концентрата сывороточных белков - на основе процесса ультрафильтрации; для сгущения подсырной (сладкой) сыворотки - на основе обратного осмоса; для переработки творожной (кислой) сыворотки - на основе нанофильтрации. Последний метод применяется также в установках для получения лактозного концентрата.

В российской промышленной практике молочной отрасли мембранные технологии начали использоваться, в основном, в индустрии детского питания: например, при производстве детского творога (ДМ), а также концентрирования биомассы после ферментации при производстве бакконцентратов.

Основой мембранных установок любого типа являются фильтрующие мембраны. Мембраны классифицируются по предельному молекулярному весу пропускаемого вещества, то есть по молекулярному весу самой маленькой молекулы, которая не проникнет сквозь мембрану. Однако подбор мембраны осуществляется не только на основе этой характеристики.

Для обработки молока в качестве биополимеров, как правило, используют различные полисахариды (пектины, производные целлюлозы, гуммиарбик, арабиногалактан, альгинаты, микробные полисахариды и др.). Технология переработки молочного сырья с применением полисахаридов предусматривает полное использование всех компонентов молока для производства пищевых продуктов, а также вовлекает в технологический процесс растительное сырье, что целесообразно как с биологической, так и с экономической точки зрения.

В основе технологии лежит процесс фракционирования компонентов молочного сырья полисахаридами с образованием молочно-белковых концентратов с определенным составом и функциональными свойствами, которые в свою очередь являются основой для получения разнообразных функциональных продуктов питания.

При смешивании раствора полисахарида и обезжиренного (или цельного) молока вследствие термодинамической несовместимости основного белка молока — казеина и полисахарида через некоторое время происходит расслаивание смеси с образованием двухфазной системы: нижняя фаза — концентрат натурального казеина (КНК), верхняя — раствор полисахарида – безказеиновая фаза (БФ). Равновесие между фазами устанавливается, как правило, в течение 1–2 мин.

Смешивание растворов белка и полисахарида при суммарной концентрации 4% и выше может привести к образованию двухфазных систем (эмульсий типа «вода в воде»), в которых фазовое равновесие установлено преимущественно вследствие переноса воды из раствора белка в раствор полисахарида через межфазную поверхность.

Принцип концентрирования растворов белка с помощью полисахаридов был назван безмембранным осмосом, так как в этом случае происходит перенос растворителя из одного раствора в другой с более низким химическим потенциалом растворителя. В результате происходит концентрирование белка и разбавление раствора полисахарида до тех пор, пока не выровняется осмотическое давление в этих растворах (фазах). То есть происходит самопроизвольное разделение системы на две фазы – КНК и БФ.