Исследование состава и физико-химических свойств концентрата творожной сыворотки, полученного нанофильтрацией

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 баромембранных 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 FT 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 «нанофильтрат-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 органолептические 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 Na+ и K+. 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.