Простыми словами: системы фильтрации

Как можно улучшить результат пастеризации, сохранив вкус и все полезные свойства молока? Это просто! Еще в 2007 году ученые Корнелльского университета выяснили, что благодаря микрофильтрации срок хранения пастеризованного молока можно увеличить до 14 недель. А “микрофильтрованные” сыры могут сохранять вкус “не пастеризованных”, причем это будет действительно безопасно.

Что такое мембранная фильтрация?

Мембранная фильтрация – это современный способ очистки молока от бактерий и/или его разделения на компоненты. В коммерческом производстве молока и молочных продуктов применяются следующие способы мембранной фильтрации: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, а также есть процесс, который неразрывно связан с процессом мембранной фильтрации – это микропартикуляция. У каждого из этих видов установок свой диаметр пор мембран, поэтому области их использования различаются.

Какие виды мембранной фильтрации существуют?

1. Микрофильтрация Микрофильтрация – процесс, осуществляемый при низком давлении. Фильтрация продукта происходит при помощи мембраны, задерживающей нерастворимые компоненты.

Диаметр пор мембран в таких установках от 10 до 0,1 мкм. Мембранные элементы могут быть как полимерными, так и керамическими. Основными отличиями керамических мембран от полимерных является более высокое электропотребление установок, т.к. требуется использование насосов большей мощности, более высокая стоимость самих мембранных элементов, что негативно сказывается на общей стоимости установок, но эти особенности компенсируются бóльшим сроком службы элементов и возможностью не использовать специальные моющие растворы. Полимерные мембраны отличает меньшая стоимость и меньшее энергопотребление установок, что удешевляет первичные инвестиции, а также на полимерных мембранах возможно добиться более высокой степени сгущения.

Чаще всего такие установки используются для бактериальной очистки молока, в производстве питьевого молока, а также подготовки сырья к производству сыра. Речь идет об упоминаемом в начале статьи процессе производства, так называемого, ESL молока. Аббревиатура ESLрасшифровывается как Extended Shelf Life, т.е. увеличенный срок хранения на полке, тогда ESL молоко – это молоко с увеличенным сроком годности, причем речь идет именно о пастеризованном, а не ультрапастеризованном молоке. Микрофильтрация позволяет снизить влияние сезонных колебаний молока на качество идущего на переработку сырья.

2. Ультрафильтрация

Процесс ультрафильтрации происходит при среднем давлении. Размер пор у ультрафильтрационных мембранных элементов находится в диапазоне от 0,1 до 0,001 микрон.

Ультрафильтрация предназначена для стандартизации молока по белку, снижения количества лактозы, производства концентрата сывороточных белков и изолятов белка, предварительного сгущения молока для производства сыров и творогов, а также для производства фильтрационного творога.

Установки ультрафильтрации позволяют более эффективно использовать молоко и содержащиеся в нем компоненты, что позволяет увеличить выход продукта. Например, при использовании установок для предварительного сгущения молока перед сыро- или творогоизготовителями позволяет поднять их производительность почти на четверть, таким образом, существенно экономя рабочее пространство предприятия.

Регулируя степень сгущения сырья, которым может выступать не только молоко (как цельное, так и обезжиренное), но и подготовленные молочные смеси, например, творожное калье, можно разработать целую линейку инновационных продуктов, которые легко завоюют сердца потребителей и позволят предприятию получить дополнительную прибыль.

3. Нанофильтрация

На установках нанофильтрации используются мембраны с размером пор от 1-2 нм. Как правило, в молочной промышленности, установки нанофильтрации используются для концентрации и/или частичной деминерализации сыворотки. Если области применения сладкой, или подсырной сыворотки, достаточно широки, то использование творожной, или кислой сыворотки, в ее естественном виде, достаточно сложно. Чтобы расширить области применения творожной сыворотки ее деминерализуют, т.е. частично удаляют соли. Уровень деминерализации сыворотки можно, условно, поделить на несколько сегментов, где в качестве мерной шкалы выступают различные типы молочных продуктов. Минимальная степень деминерализации – это до 30% позволяет использование сыворотки в кисломолочных продуктах, деминерализация до 70% позволяет уже использовать такую сыворотку во всем производственном спектре питания "для взрослых", а 90% деминерализация уже дает шанс предприятию использовать сыворотку в детском питании. Поры нанофильтрационных мембран пропускают одновалентные соли, что при работе с творожной сывороткой позволяет достичь уровня деминерализации 25%, что, в зависимости от потребностей и производственной программы предприятия, позволяет или уменьшить размер устанавливаемых далее установок электродиализа, или вообще отказаться от их использования.

4. Обратный осмос

Обратноосмотические мембраны задерживают практически все твердые вещества, позволяя пройти только воде. Мембрана частично пропускает только низкомолекулярные компоненты, например, органические кислоты и компоненты азотистых соединений, особенно, когда они нейтрально заряжены. Для работы обратноосмотических установок требуется самое высокое давление из всех мембранных установок.

Размер пор мембранных элементов от 1 до 0,1 нм. В молочном производстве обратноосмотические установки имеют несколько типичных областей применения. Во-первых, это очистка сывороточного пермеата после установки нанофильтрации. В этом случае установку называют полишером и, полученную таким образом воду, используют для проведения безразборной мойки самой установки. Второй типичной областью применения является сгущение молока (как цельного, так и обезжиренного) для его транспортировки на большие расстояния, чтобы снизить затраты на логистику. В этом случае, молоко сгущается в три раза, что позволяет использовать один молоковоз вместо трех. Также установки обратного осмоса используются на линиях для получения лактозы. Безусловно, все знают, что обратный осмос используется для очистки воды, но здесь необходимо заметить, что для подготовки воды используются отличные по конструкции установки.

5. Микропартикуляция

Микропартикуляция используется для дальнейшей переработки концентрата сывороточных белков. В основе процесса микропартикуляции лежит термическое воздействие на основные сывороточные белки α-лактальбумин и β-лактоглобулин. Под действием температуры происходит денатурация сывороточных белков и их агрегация. Затем происходит их механическая обработка, которая позволяет придать спайкам белков форму и размер жировых шариков.

Визуально, процесс выглядит, как "превращение воды в вино". Бурого цвета жидкость становится ярко белого цвета, обретая насыщенный сливочный вкус. Областей применения микропартикулята великое множество. В первую очередь – это низкожирные продукты, к которым можно отнести сыры, йогурты, кисломолочные напитки, творожные продукты, мороженое. Обладающей лучшей, чем КСБ растворимостью партикулят также широко используется в мясной промышленности.

Какие недостатки у этих систем?

Проблема в том, что использовавшиеся до недавнего времени установки микропартикуляции обладали достаточно большим внутренним объемом, обусловленным тем, что термическая обработка и механическое формование агломератов белков выполнялось последовательно. Этот процесс сопровождался существенными потерями продукта, а также давал достаточно низкий уровень перехода сывороточных белков в партикулят. К этому можно добавить, что ограничения по вязкости поступающего в установку сырья и невысокое, до 77°С, температурное воздействие, по-настоящему накладывало существенные ограничения на распространенность таких установок. и она не справлялась с содержанием сухих веществ до 50%. Кроме того, была невозможна Компания Kieselmann разработала систему микропартикуляции нового поколения EcoProt+, которая одномоментно осуществляет процесс термической и механической обработки, что позволяет резко снизить внутренний объем установки до считанных литров, увеличить коэффициент перехода белков в партикулят до более чем 80%, а также проводить температурную обработку от 90 до 120°С http://issuu.com/kieselmannltd/docs/membrane_filtration_2014/1?e=0. Именно эта установка по-настоящему, снимает ограничения на области применения партикулята, т.к. позволяет избежать проблем с большой концентрацией бактерий, которая возникает при сгущении сыворотки. Стерилизованный партикулят не накладывает никаких ограничений на сроки хранения продукции, которая изготавливается с его использованием.

Какие продукты, изготавливаемые при помощи установок мембранной фильтрации популярны в мире?

Безлактозные

Мембранная фильтрация - это наилучший способ производства безлактозных продуктов. В данном случае речь идет именно о продуктах, из которых полностью удалена лактоза, а не расщеплена при помощи гидролиза на глюкозу и галактозу. Для изготовления таких продуктов используется целый каскад фильтраций. Это и ультрафильтрация с диафильтрационным контуром, а также нанофильтрация и обратный осмос. Кроме того, чтобы улучшить вкус, сохранив по-максимуму всю вкусовую палитру молока, можно провести бактериальную очистку сырья на установке микрофильтрации, а уже затем приступать к удалению лактозы.

Отличие вышеописанного способа заключается в том, что он позволяет потреблять такие безлактозные молочные продукты даже диабетикам. При "простом" способе приготовления низколактозных продуктов, при помощи ферментов лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу. Таким образом, в молоке отсутствует лактоза, но, все равно, остаются сахара. Такое молоко отличает чуть более сладкий вкус. Еще одним из способов приготовления низколактозных продуктов является промежуточный вариант: после гидролиза, когда лактоза уже расщепилась на моносахара, молоко пропускают через установку мембранной фильтрации, чтобы снизить сладость продукта. Такие безлактозные продукты подойдут только тем людям, которые страдают лактозной непереносимостью, но не подходят для питания больных диабетом.

Питьевое молоко

Мембранная фильтрация используется и для приготовления питьевого молока. Помимо бактериальной очистки, при помощи микрофильтрации, сегодня получает все большее распространение высокобелковое молоко, которое изготавливается при использовании установок ультрафильтрации. Таким образом мы можем говорить про настоящее пастеризованное ESL-молоко, с различным уровнем содержания белка, срок хранения которого составляет почти месяц. Конечно, такие продукты стоят дороже, но и спрос на них постоянно растет, что позволяет предприятию получить дополнительную прибыль.

Греческий йогурт

В США мембранную фильтрацию часто применяют для производства греческого йогурта. Такие продукты обладают приятным слегка кисловатым вкусом, нежной консистенцией и ярко белый цвет с глянцевой поверхностью. В России подобным образом изготавливают творожки для детского питания. По сути, на установках мембранной фильтрации происходит отделение сыворотки и концентрация молочного белка.

Эту технологию используют в таких брендах, как Activia Greek, Chobani, Dannon Light & Fit Greek, Dannon Oikos, FAGE, Stonyfield Organic Oikos, Trader Joe's и товарах под торговой маркой Yoplait.

Сыр

Конечно, самой распространенной областью применения установок мембранной фильтрации остается сыроделие. Так как некоторые сорта французских сыров делаются из непастеризованного молока, то, в силу действующих требований для молочных производств, кроме, как во Франции, было невозможно производить такие сыры. И лишь с появлением технологии бактериальной очистки молока методами мембранной фильтрации, у сыроделов из других стран появилась возможность и выполнить гигиенические требования к обработке молока, и гарантировать пищевую безопасность своей продукции, аналогичную уровню пастеризованных продуктов или выше, и производить сыры со вкусом, как из непастеризованного молока. Что было подтверждено исследованиями Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” еще 20 лет назад.

Именно использование установок микрофильтрации для бактериальной очистки молока позволяет снизить скорость развития вредоносных бактерий в сыре, что позволяет увеличить его срок хранения, а также не прибегать к использованию нитратов.

Сывороточный белок

В России производители добавляют или сыворотку, или концентрат сывороточных белков в молочную продукцию, однако объемы этих добавок резко ограничены, т.к. существует риск испортить вкус продукта и/или его цвет. Содержащиеся в сыворотке белки и микроэлементы крайне полезны для человека, но обладают непривлекательным цветом и вкусом. В случае, когда мы говорим про творожную (кислую сыворотку), то вкус будет достаточно кислым. Этот факт не остановил одного из швейцарских переработчиков, который решил паковать кислый концентрат сывороточных белков в аптечные стеклянные бутылки и распространять через аптечные сети.

Какие есть доказательства?

Чтобы не быть голословными, мы собрали для вас несколько исследований, доказывающих, что будущее уже наступило, и пора уходить от обычной старой доброй пастеризации к современным технологиям фильтрации.

Исследователи Корнелльского университета выяснили, что удаление микроорганизмов и соматических клеток из сырого молока с использованием мембранной фильтрации может значительно улучшить безопасность, качество и срок хранения молока и молочных продуктов. Для того, чтобы оценить влияние микрофильтрации на увеличение срока хранения молока и роста микроорганизмов в сыром, пастеризованном молоке и молоке после мембранной фильтрации. Микрофильтрованное, а затем пастеризованное молоко было “чистым” 14 недель, только пастеризованное - 40 дней, микрофильтрованное - 21 день, а сырое -7 дней. Микрофильтрация позволяет серьезно увеличить срок годности продукта, потому что пастеризация не эффективна против спор и соматических клеток, а мертвые бактерии ограничивают срок хранения пастеризованного молока из-за выделяемых ферментов.

Высшее аграрное училище имени Луиса де Кейроса (Бразилия) и Молочная лаборатория технологических исследований (Франция) выяснили, что предварительная микрофильтрация сырья, используемого для производства питьевого молока увеличивает продолжительность его “жизни” от 3 до 5 раз. Это позволяет говорить о том, что санитарная безопасность сыров, сделанных из микрофильтрованного сырого молока, по меньшей мере эквивалентна, а возможно даже выше, чем сыров, сделанных из пастеризованного молока.

Специалисты Американской ассоциацией ученых в молочном скотоводстве провели исследование. Необработанное обезжиренное молоко микрофильтровалось, пастеризовалось при 72 ° C в течение 15 с и охлаждалось до 6 ° С. В трех испытаниях количество бактерий сырого молока было снижено с 2,400, 3600 и 1,475 КОЕ / мл до 0,240, 0,918 и 0,240 КОЕ / мл соответственно с помощью микрофильтрации. Затем пастеризованное микрофильтрованное обезжиренное молоко хранили при каждой из четырех температур (0,1, 2,0, 4,2 и 6,1 ° С), а общее количество бактерий определяли еженедельно по истечению 92-дневного периода. После 92 дней только 50% образцов, хранящихся при температуре 6,1 ° С и 12% образцов, хранящихся при температуре 4,2 ° С, превышали общее количество содержания бактерий в 20000 КОЕ / мл. Никакие образцы, хранящиеся при 0,1 или 2,0 градусах C, не достигали обнаруживаемого уровня бактерий во время исследования.