Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, Россия
Сухое молоко (СМ) является широко применяемым ингредиентом, используемым в производ- стве различных видов пищевых продуктов в сухом или восстановленном виде, от кондиции и технологических свойств которого зависит качество готовой продукции. Одним из значимых факторов, оказывающих влияние на качественные характеристики СМ и формирование его тех- нологических свойств, безусловно считаются процессы, используемые при его изготовлении, в т.ч. такой обязательный производственный этап, как предварительное концентрирование (сгущение). Изучение научно-технических материалов выявило востребованность в обновлении знаний и структурировании информации, рассматривающей влияние различных методов концен- трирования на качество СМ. Цель исследований – анализ и систематизация информации о вли- янии применяемых в молочной промышленности способов концентрирования в качестве предва- рительного этапа сгущения молока перед распылительной сушкой на технологические свойства СМ. Рассмотрены следующие способы: вакуумное испарение, гиперфильтрация, криоконцентри- рование. Приведено их краткое описание. Основные технологические свойства СМ (восстанав- ливаемость, термостабильность, сыропригодность) зависят от состава, размера и форм сухих частиц, растворимости, диспергируемости, смачиваемости и пр. Процесс вакуумного испарения давно и широко используют в промышленных масштабах для изготовления различных видов СМ. Прогрессивные способы сгущения (гиперфильтрация и криоконцентрирование) находят все боль- шее применение, но в основном в производстве сухого обезжиренного молока. Физико-химические показатели СМ, выработанного с использованием изучаемых видов концентрирования, соответ- ствовали стандартизированным нормам. СМ, полученное с использованием криоконцентрации, состояло из агломерированных частиц, что способствовало его лучшей растворимости. Ни один из видов сгущения не оказал какого-либо значимого воздействия на диспергируемость и смачива- емость. Термостабильность также была практически одинаковой с некоторыми незначитель- ными отличиями при применении криоконцентрирования. Главенствующее влияние на термо- устойчивость и сыропригодность имеет тепловая обработка перед сгущением и сушкой. Для расширения представления о влиянии предварительного сгущения на технологические свойства СМ необходимо проведение дополнительных исследований молочного концентрата в производ- стве сухого цельного молока, получаемого современными способами концентрирования.
сухое молоко, качество, технологические и функциональные свойства, вакуумное испарение, обратный осмос, криоконцентрация.
Введение. Качество и безопасность любой готовой пищевой продукции зависят от состава и свойств исходного сырья, его эффективной переработки с использованием традиционных, модернизированных, современных и инноваци- онных технологий и соблюдения надлежащих условий хранения [1, 2].
Сухое молоко (СМ), обладая высокой пище- вой ценностью за счет входящих в его состав
макро- и микрокомпонентов, различными функ- ционально-технологическими свойствами, дли- тельными сроками хранения, находит широкое применение в качестве сырьевого ингредиента во многих отраслях пищевой промышленности.
«Прижизненное» формирование показателей СМ обуславливает его технологическую и эконо- мическую целесообразность применения [3–5].
В процессе промышленного производства СМ одной из обязательных технологических опера- ций, предшествующих этапу распылительной сушки, является концентрирование (сгущение), т.е. удаление части влаги из исходного молоч- ного сырья для достижениянеобходимой массо- вой доли сухих веществ. Проведение процесса сушки без предварительного концентрирования экономически нецелесообразно. Так, например, при сгущении с использованием вакуум-выпар- ных аппаратов расход пара на испарение 1 кг влаги составляет 0,5 кг, а при распылительной сушке – 2,5–3,5 кг. Кроме этого, изготовленное без предварительной концентрации СМ имеет худшие качественные характеристики, чем про- дукт, произведенный с применением сгущения. Концентрирование осуществляют с использова- нием различного оборудования, основанного на физических методах, позволяющих максимально сохранить все питательные свойства составных частей молока и их соотношения и произвести практически только влагоудаление. Однако мно- гими отечественными и зарубежными исследо- ваниями установлено, что основные структурные и функциональные преобразования в молочном сырье происходят до сушки, т.е. на стадиях тер- мообработки и концентрирования [6–8].
Применительно к СМ в основном используют три способа концентрирования (вакуумное испа- рение, гиперфильтрация, криоконцентрирование), каждый из которых имеет свои технические и тех- нологические достоинства и недостатки [7, 9].
Вакуумное испарение (ВИ – выпаривание под вакуумом) в нашей стране является наибо- лее распространенным методом сгущения ввиду массового оснащения в прошлом столетии мо- лочно-консервных комбинатов на то время про- грессивными вакуум-выпарными установками различных конструкций и производительности, в т.ч. входящими в комплект сушильного оборудо- вания. При этом способе за счет искусственно соз- данного вакуума происходит интенсивное кипение молока при более низких положительных темпе- ратурах (30–60 ºС), чем температура кипения мо- лока при атмосферном давлении (100,2–100,5 ºС). Свободная влага из кипящего молока переходит в пар, который непрерывно удаляется из зоны кипе- ния. Концентрация сухих веществ молока достига- ет значений 40–52 %. С водяными парами удаля- ются не только нежелательные запахи кормового или иного происхождения, но и некоторая часть нативных ароматических веществ и низкомолеку- лярных жирных кислот (до 15 % от исходного ко- личества) [6, 7, 10–12].
Гиперфильтация (ГФ – основана на явлении обратного осмоса) заключается в фильтровании молока при достаточно невысоких положитель- ных температурах 4–50 °С и давлении 3–6 МПа через мембраны с размером пор 104–10-3 мкм. В результате чего вода без фазовых превращений извлекается из молочных систем. При отсутствии нежелательного теплового воздействия сохраня- ются целостность и соотношения составных ча- стей, а также отсутствует потеря летучих вкусовых соединений. ГФ позволяет осуществить концен- трирование сухих веществ для цельного молока до 18 %, обезжиренного молока до 30–35 %. Дан- ный способ предварительного концентрирования является перспективным в производстве СМ при решении проблемы необходимости периодиче- ской очистки и замены фильтрующих элементов, а также снижения их стоимости [13–16].
Криоконцентрирование (КК – вымораживание воды) позволяет максимально сохранить исход- ные свойства молочного сырья за счет использо- вания процесса, протекающего при относительно низких отрицательных температурах (от 0 до ми- нус 20 ºС). Часть свободной влаги в молоке вы- мораживается, образующиеся кристаллы льда удаляются. Совершенствование технологии КК и аппаратурного оформления криоконцентраторов делает возможным в настоящее время создавать альтернативное вакуум-выпарным и мембранным установкам высокоэффективное оборудование с максимально низкими потерями сухих веществ (менее 1 %, состоящих в основном из лактозы и минеральных веществ), которое за счет исключе- ния теплового воздействия не приводит к суще- ственным биохимическим изменениям и позволя- ет сохранить такие термолабильные компоненты молока, как белки и ароматические соединения. При КК массовая доля сухих веществ повышается до 25–40 % [7, 17–19].
Изучение специализированной литературы показало, что имеется востребованность в об- новлении знаний и структурировании современ- ной научной информации, оценивающей влия- ние различных методов концентрирования на качество СМ.
Цель исследований. Анализ и системати- зация информации о влиянии применяемых в молочной промышленности способов концентри- рования в качестве предварительного этапа сгу- щения молока перед распылительной сушкой на технологические свойства СМ.
Результаты исследований и их обсужде- ние. Состав СМ, размер и форма сухих частиц, растворимость, диспергируемость, смачивае-
мость и пр. оказывают существенное влияние на такие его основные технологические и функ- циональные свойства, как восстанавливаемость, термостабильность, сыропригодность [3, 7, 8].
Изучение состава сухого обезжиренного молока (СОМ), полученного с использованием ВИ, ГФ и КК, показало, что все способы концентрирования обе- спечили получение продукта стандартизованного физико-химического состава с массовыми долями влаги (2,46 %; 1,92; 3,5 %), жира (1,3 %; 1,2; 1,4 %),
белка (36,27 %; 36,16, 36,10 %), лактозы (54,5 %;
54,0; 52,0 %) соответственно. При этом отмечено отличие СОМ-КК по содержанию лактозы от СОМ- ВИ и СОМ-ГФ. Это связано с тем, что некоторое ее количество было удалено с ледяной фракцией, тогда как процессы ВИ и ГФ не влияют на распреде- ление лактозы между сгущаемым молоком и уда- ляемой влагой. Что касается золы, то у исследова- телей не наблюдалось существенных отклонений в ее содержании во всех образцах СОМ (6,7±0,3 %). Аналогичные тенденции получены и для сухого цельного молока (СЦМ). Также отмечено, что неза- висимо от степени концентрирования жир остается в эмульсионном состоянии и, если до сгущения не выявлено дестабилизации жировой эмульсии, то и впоследствии не происходит образования новой структуры жировой фазы. Жировые шарики сбли- жаются, но не слипаются [6, 7, 16].
Анализ микроструктуры СМ с помощью ска- нирующей электронной микроскопии выявил дискретную структуру порошков при исполь- зовании ВИ и ГФ, тогда как КК способствовало образованию преимущественно агломерирован- ных частиц. Исследование гранулометрическо- го состава СОМ показало, что СОМ-ВИ харак- теризуется меньшим средним размером частиц (70 мкм), чем СОМ-ГФ и СОМ-КК (105 мкм) [7].
Следует отметить, что приведенные результаты согласуются с литературными, эксперименталь- ными и производственными данными: частицы СМ, полученные с помощью распылительной сушки, обычно имеют диаметр от 10 до 250 мкм, который зависит не только от состава и свойств исходного молока, но и от процедур тепловой обработки и предварительного концентрирова- ния. В процессе сгущения белки увеличиваются в размерах и способствуют увеличению вязкости концентратов перед сушкой. Частицы СМ также укрупняются по мере увеличения степени сгуще- ния, а при недостаточной концентрации размеры частиц становятся минимальными с включением большого количества воздуха, что инициирует развитие в СЦМ негативных окислительных про- цессов при хранении [3, 6, 7, 20]. Кроме этого,
авторами [7] сделано предположение, что имен- но температура входящего в сушильную башню воздуха оказывает более интенсивное влияние на молоко, сконцентрированное с помощью ГФ и КК, поскольку эти два способа включают более низкие температуры обработки исходного моло- ка при сгущении, практически не влияющие на белковую фракцию.
В восстановленных до содержания сухих веществ 25 % образцах выявлено мономодаль- ное распределение мицелл казеина с размером 70–400 нм, что соизмеримо с размером мицелл в сыром молоке. Наибольший средний размер на- блюдали в восстановленном молоке с использо- ванием КК (190 нм), для ВИ и ГФ этот показатель имел величину 164 нм. Это объясняется тем, что КК уменьшает размер казеиновых мицелл, кото- рые под воздействием теплового воздействия в процессе сушки легко агломерируются, образуя частицы большего размера, состоящие из дена- турированных сывороточных белков и мицелл казеина [7, 11, 21]. Авторами [20] определено, что необратимая денатурация основных сыво- роточных белков (β-лактоглобулина и α-лакталь- бумина) происходит в основном во время тер- мической обработки, предшествующей стадии сгущения, а воздействие концентрирования на их денатурацию считается минимальным. В работе [22] представлены аналогичные исследования приоритетного влияния на термоустойчивость и сыропригодность СМ тепловой обработки перед концентрированием и сушкой. Ужесточение тем- пературных воздействий на молочные системы перед сгущением приводит к прогрессирующему увеличению денатурации сывороточных белков и укрупнению мицелл казеина, что способствует получению термостойкого СМ со слабой геле- образующий способностью.
Важной характеристикой термостабильности белка и прочности образования геля является дзета-потенциал, на величину которого влияет содержание кальция, удаление некоторого его количества из молочных систем улучшает их тер- моустойчивость. Данные, полученные авторами [7], не показали существенных различий между восстановленными образцами с применением ВИ, ГФ и КК (-28,2; -26,6; -27,1 мВ соответствен- но). Однако исследователями [21] установлено, что использование КК перед сушкой способ- ствовало частичной потере кальция с фракци- ей льда и образованию более слабого геля по сравнению с плотными гелями, полученными с применением ВИ и ГФ, в процессе которых влага удаляется в виде пара или чистой воды. Автора-
ми [15] представлены данные по термоустойчи- вости СМ, полученного с помощью ГФ, которое способствовало максимальному удержанию в ретентате ионного кальция 1,25±0,02 мМ и сни- жению активной кислотности (рН 6,30±0,04), что отрицательно повлияло на термостабильность системы.
Растворимость является базовым критерием при оценке качества СМ, характеризуется слож- ным физико-химическим процессом, зависящим от многих факторов (структуры и состава основ- ных компонентов, условий проведения процесса и пр.). Растворимость СМ тесно связана с кумуля- тивными изменениями белка, кристаллизацией лактозы и соотношения ее α- и β-форм (β-лактоза более растворима), условиями восстановления и пр. Сухие молочные продукты считаются практи- чески полностью восстановленными, если их ин- декс растворимости выше 99 %, т.е. содержание нерастворимого осадка не должно превышать 1 %. Максимальные значения растворимости для СМ-ВИ, СМ-ГФ и СМ-КК составили 91, 94 и 97 % соответственно. Лучшая растворимость СМ-КК обусловлена агломерированностью частиц СМ и меньшим содержанием минеральных веществ [7, 8, 20, 23].
С помощью диспергируемости оценивают мгновенность восстановления СМ при регидра- тации. СЦМ считается хорошо диспергируемым, если его индекс выше 85 %, СОМ – выше 90 % (с совершенствованием процесса сушки идеаль- ным будет считаться значение выше 95 %). Дис- пергируемость зависит от гранулометрического профиля порошка, параметров сушки, условий восстановления и пр. Определение дисперги- руемости СОМ показало невысокие значения: 65 % (ВИ), 69 % (ГФ), 74 % (КК), что означает отсутствие влияния способов сгущения на этот параметр. Однако при этом все виды молока с размером частиц 105 нм имели хороший индекс диспергируемости (92–93 %), который снижался по мере увеличения размера [7, 8, 24, 25].
Смачиваемость представляет собой способ- ность СМ погружаться в воду, т. е. впитывать ее на поверхности. При этом происходит набухание и растворение протеинов. На смачиваемость оказывают влияние в основном содержание лак- тозы, размер, пористость и капиллярность сухих частиц, условия восстановления и пр. СМ счита- ется отлично смачиваемым, если данный пока- затель не превышает 20–30 с. Указанные зна- чения соответствуют быстрорастворимому СМ [8, 26]. В работе [7] представлены результаты смачиваемости СОМ: 2060±35 с (ВИ), 2030±33 с
(КК), 2010±28 с (ГФ). Использование ГФ способ- ствовало немного более лучшей смачиваемо- сти, однако, учитывая значения погрешностей, различия показателей нивелируются и все виды молока могут быть классифицированы как плохо смачиваемые и отнесены к обычному СМ, массо- во производимому молочно-консервными пред- приятиями.
Заключение. В процессе предварительного концентрирования молочного сырья при произ- водстве СМ происходят сложные физические, физико-химические и биохимические процессы, оказывающие влияние на функционально-тех- нологические свойства готового продукта. В на- стоящее время ВИ эффективно используют для изготовления всех видов сухого молока (обезжи- ренного, частично обезжиренного, цельного). ГФ и КК находят применение в основном при выра- ботке СОМ. Изучаемые виды концентрирования (ВИ, ГФ, КК) обеспечили получение стандартизи- рованного по физико-химическому составу СМ. КК позволило выработать продукт, состоящий из агломерированных частиц, что способствовало лучшей растворимости по сравнению с использо- ванием ВИ и ГФ. На диспергируемость и смачива- емость СМ ни один из видов сгущения не оказал какого-либо значимого воздействия. Термоста- бильность СМ также была практически одинако- вой с некоторыми незначительными отличиями при применении КК. Главенствующее влияние на термоустойчивость и сыропригодность СМ имеет тепловая обработка перед сгущением и сушкой. Дальнейшее изучение характеристик молочных концентратов в производстве СМ, полученных различными способами, особенно применитель- но к СЦМ (из-за недостаточности на сегодняшний момент данных), позволит расширить представ- ление о влиянии концентрирования на качество сухой молочной продукции.
1. Galstyan A.G., Aksenova L.M., Lisitsyn A.B. et al. Modern approaches to storage and effective processingof agricultural products for obtaining high quality food products// Herald of the Russian Academy of Sciences. 2019. Vol. 89. № 2. P. 211–213. DOI: 10.1134/ S1019331619020059.
2. Оганесянц Л.А., Хуршудян С.А., Галстян А.Г. Мониторинг качества пищевых продуктов – базовый элемент стратегии // Контроль каче- ства продукции. 2018. № 4.С. 56–59.
3. Кручинин А.Г., Илларионова Е.Е., Бигаева А.В. [и др.]. Роль технологических свойств сухого молока в формировании качества пищевых систем // Вестник КрасГАУ. 2020. № 8 (161). С. 166–173. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-8- 166-173.
4. Галстян А.Г., Семипятный В.К. К вопросу о расширении области оценочных критериев качества пищевых продуктов // Актуальные вопросы индустрии напитков. 2017. № 1. С. 27–29.
5. Galstyan A.G., Petrov A.N., Semipyatniy V.K. Theoretical backgrounds for enhancement of dry milk dissolution process: mathematical modeling of the system “solid particles – liquid” // Foods and Raw Materials. 2016. Т. 4. № 1. P. 102–109. DOI:https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-1-102-109.
6. Туровская С.Н., Галстян А.Г., Петров А.Н. [и др.]. Безопасность молочных консервов как интегральный критерий эффективности их технологии. Российский опыт // Пище- вые системы. 2018. Т. 1, № 2. С. 29–54. DOI:https://doi.org/10.21323/2618-9771-2018-1-2-29-54.
7. Balde A., Aïder M. Effect of cryoconcentration, reverse osmosis and vacuum evaporation as concentration step of skim milk prior to drying on the powder properties // Powder Technology. 2017. Vol. 319. P. 463–471. DOI:https://doi.org/10.1016/j. powtec.2017.07.016.
8. Schuck P., Floch-Fouere C., Jeantet R. Changes in Functional Properties of Milk Protein Powders: Effects of Vacuum Concentration and Drying // Drying Technology. 2013. Vol. 31. P. 1578–1591. DOI:https://doi.org/10.1080/07373937.2013.816316.
9. Moejes S.N., Van Boxtel A.J.B. Energy saving potential of emerging technologies in milk powder production // Trends in Food Science & Technology. 2017. Vol. 60. P. 31–42. DOI:https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.10.023.
10. Радаева И.А., Червецов В.В., Галстян А.Г. [и др.]. Межгосударственный стандарт на сухое молоко // Молочная промышленность. 2016. № 3. С. 36–38.
11. Liu D.Z., Dunstan D.E., Martin G.J.O. Evaporative concentration of skimmed milk: Effect on casein micelle hydration, composition, and size // Food Chemistry. 2012. Vol. 134 (3). P. 1446–1452. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2012.03.053.
12. Радаева И.А., Галстян А.Г., Петров А.Н. [и др.]. Сгущенное молоко – сырье для молоч- ной промышленности. Новые виды // Пере- работка молока. 2011. № 6 (140). С. 42–43.
13. Khramtsov A.G., Evdokimov I.A., Lodygin A.D. [et al.]. Technology development for the food industry: a conceptual model // Foods and Raw Materials. 2014. Vol. 2. Iss. 1. P. 22–26. DOI:https://doi.org/10.12737/4121.
14. Золоторева М.С., Евдокимов И.А. Харито- нов В.Д. Мембранные технологии для обе- спечения эффективности и безопасности молочного производства // Молочная про- мышленность. 2018. № 5. С. 36–39.
15. Syrios A., Faka M., Grandison A.S., Lewis M.J. A comparison of reverse osmosis, nanofiltration and ultrafiltration as concentration processes for skim milk prior to drying // International Journal of Dairy Technology. 2011. Vol. 64. Iss. 4. P. 467– 472. DOIhttps://doi.org/10.1111/j.1471–0307.2011.00719.x.
16. Arend G.D., Castoldi S.M., Rezzadori K. et al. Concentration of skim milk by reverse osmosis: characterization and flow decline modelling // Brazilian Journal of Food Technology. 2019. Vol. 22. DOI:https://doi.org/10.1590/1981–6723.02819.
17. Короткий А.И., Короткая Е.В., Неверов Е.Н. [и др.]. Разработка низкотемпературной тех- нологии извлечения белка из творожной сы- воротки // Вестник КрасГАУ. 2020. № 2 (155). С. 148–154. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-2- 148-154.
18. Короткий И.А., Короткая Е.В., Мальце- ва О.М. Разделительное вымораживание при переработке обезжиренного молока // Вест- ник КрасГАУ. 2015. № 10 (109). С. 115–121.
19. Остроумов Л.А., Короткая Е.В., Мальце- ва О.М. Влияние криоконцентрирования на содержание сухих веществ обезжиренного молока // Молочная промышленность. 2018. № 8. С. 60–61. DOI:https://doi.org/10.31515/1019-8946-2018-8-60-61.
20. Cao J., Zhang W., Wu S. [et al.]. Effects of nano- filtration and evaporation on the physiochemical properties of milk protein during processing of milk protein concentrate // Journal of Dairy Sci- ence. 2015. Vol. 98(1). P. 100–105. DOI:10.3168/ jds.2014–8619.
21. Balde A., Aider M. Impact of cryoconcentration on casein micelle size distribution, micelles inter- distance, and flow behavior of skim milk during refrigerated storage // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2016. Vol. 34. P. 68–76. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.ifset.2015.12.032.
22. Lin Y., Kelly A.L., O’Mahony J.A. et al. Effect of heat treatment, evaporation and spray drying during skim milk powder manufacture on the compositional and processing characteristics of reconstituted skim milk and concentrate // International Dairy Journal. 2018. Vol. 78. P. 53– 64. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.idairyj.2017.10.007.
23. Markoska T., Huppertz T., Grewal M.K. et al. FTIR analysis of physiochemical changes in raw skim milk upon concentration // LWT – Food Science and Technology. 2019. DOI:https://doi.org/10.1016/j. lwt.2018.12.011.
24. Fyfe K., Kravchuk O., Nguyen A.V. et al. Influence of Dryer Type on Surface Char- acteristics of Milk Powders // Drying Tech- nology. 2011. Vol. 29 (7). P. 758–769. DOI:https://doi.org/10.1080/07373937.2010.538481.
25. Gaiani C., Boyanova P., Hussain R. et al. Morphological descriptors and colour as a tool to better understand rehydration properties of dairy powders // International Dairy Journal. 2011. Vol. 21 (7). P. 462–469. DOI:https://doi.org/10.1016/j. idairyj.2011.02.009.
26. O’Sullivan J.J., Schmidmeier C., Drapala K.P. et al. Monitoring of pilot-scale induction pro- cesses for dairy powders using inline and offline approaches // Journal of Food Engineering. 2017. Vol. 197. P. 9–16. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jfood- eng.2016.10.023.
