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.
