Обоснование параметров мембранной фильтрации при производстве изолята сывороточных белков

Работа посвящена изучению совместного влияния технологических параметров микро- и ультрафильтрации для обоснования рациональных режимов при производстве изолята сывороточных белков. Установлена последовательность технологических операций в производстве изолята сывороточных белков: очистка молочной сыворотки от казеиновой пыли и жира, пастеризация, ультрафильтрация, микрофильтрация, ультрафильтрация (совмещенная с диафильтрацией), распылительная сушка. Концентрирование проводили от массовой доли сухих веществ 5,4-5,6% до 11,3-12,6% (фактор концентрирования по белку — 6,5-13). Полученный ретентат направляли на микрофильтрацию для максимального удаление молочного жира. Процесс проводили с применением керамических мембран (размер пор от 0,14 мкм до 1,4 мкм). Задерживающая способность мембран по белку составляла 0,2-0,4%, по жиру 64,6-76,2%. Установлены рациональные режимы микрофильтрации: входящее давление 0,15-0,2 МПа, температура — 10-15 °C. Микрофильтрационный пермеат подвергали повторной ультрафильтрации, совмещая ее с диафильтрацией. При диафильтрации половинным объемом воды удавалось достигнуть содержания белка в сухом веществе продукта не более 87%, что не соответствовало требованиям к изоляту. Увеличение количества воды для диафильтрации способствовало повышению содержания белка в сухом веществе концентрата. Массовая доля белка изолята сывороточных белков перед сушкой составляла не менее 17%. Сухой изолят сывороточных белков характеризовался высоким содержанием белка — 93% (в пересчете на СОМО), показатели качества и безопасности соответствовали требованиям нормативной документации.

1. Мельникова, Е.И., Станиславская, Е.Б. (2022). Перспективные сывороточные ингредиенты для пищевой промышленности. Переработка молока, 11(277), 12-14. https://doi.org/10.33465/2222-5455-2022-11-12-14

2. Bannikova, A.V., Evdokimov, I.A. (2015). The scientific and practical principles of creating products with increased protein content. Foods and Raw Materials, 3(2), 3-12. https://doi.org/10.12737/13114

3. Melnikova, E. I., Stanislavskaya, E.B., Fedorova, A. R. (26-29 February, 2020). Modification of the whey protein cluster for the utilization in low-calorie food technology. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. International Conference on Production and Processing of Agricultural Raw Materials. Voronezh, Russian Federation, 2021. https://doi.org/10.1088/1755-1315/640/3/032014

4. Zhao, C., Chen, N., Ashaolu, T.J. (2022). Whey proteins and peptides in health-promoting functions — A review. International Dairy Journal, 126, Article 105269. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.105269

5. Topel, A. (2007). Chemistry and physics of milk. Behr, 2007. (In German)

6. Гунькова, П. И., Горбатова, К. К. (2015). Биотехнологические свойства белков молока. СПб: ГИОРД, 2015.

7. Ельчанинов, В.В. (2022). Номенклатура и свойства белков молока коровы (Bos taurus). Барнаул: Издательство Алтайского университета, 2022.

8. Ahmad, T., Aadil, R. M., Ahmed, H., Rahman, U., Soares, B. C. V., Souza, S. L. Q. et al. (2019). Treatment and utilization of dairy industrial waste: A review. Trends in Food Science and Technology, 88, 361-372. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2019.04.003

9. Короткий, И. А., Плотников, И. Б., Мазеева, И. А. (2019). Современные тенденции в переработке молочной сыворотки. Техника и технология пищевых производств, 49(2), 227-234. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-2-227-234

10. Володин, Д. Н., Гридин, А. С., Евдокимов, И. А. (2020). Перспективы производства сухих белковых ингредиентов на основе молочного сырья. Молочная промышленность, 1, 28-30.

11. Храмцов, А. Г. (2011). Феномен молочной сыворотки. СПб.: Профессия, 2011.

12. Володин, Д. Н., Топалов, В. К., Евдокимов, И. А., Куликова, И. К., Шрамко, М. И. (2022). Комплексный подход к производству белковых ингредиентов на основе молочного сырья. Молочная промышленность, 1, 34-36.

13. Damar, I., Cinar, K., Gulec, H. A. (2020). Concentration of whey proteins by ultrafiltration: Comparative evaluation of process effectiveness based on physicochemical properties of membranes. International Dairy Journal, 111, Article 104823. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2020.104823

14. Cancino, B., Espina, V., Orellana, C. (2006). Whey concentration using microfiltration and ultrafiltration. Desalination, 200(1-3), 557-558. https://doi.org/10.1016/j.desal.2006.03.463

15. Reig, М., Vecino, Х., Cortina, J.L. (2021). Use of membrane technologies in dairy industry: An overview. Foods, 10(11), Article 2768. https://doi.org/10.3390/foods10112768

16. Челноков, В. В., Михайлов, А. В., Заболотная, Е. (2020). Актуальность использования в промышленных масштабах мембранных технологий в Российской Федерации. Успехи в химии и химической технологии, 34(6(229)), 69-71.

17. Лялин, В. А., Михеев, М. С. (2020). Мембранные технологии и оборудование в молочной промышленности. Переработка молока, 12(254), 28-31.

18. Tamime, A. Y. (2012). Membrane processing: Dairy and beverage applications. Chichester; Ames, IO: Wiley-Blackwell, 2012.

19. Steinhauer, T., Leeb, E., Birle, D., Kulozik, U. (2016). Determination of a molecular fouling model for the micro- and ultrafiltration of whey: A recombination study from single whey proteins to complex mixtures. International Dairy Journal, 52, 50-56. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2015.08.006

20. Володин, Д. Н., Топалов, В.К., Евдокимов, И. А., Куликова, И.К. (2020). Влияние производственных процессов на функционально-технологические свойства концентратов сывороточных белков. Молочная промышленность, 5, 46-49.

21. Verruck, S., Sartor, S., Marenda, F.B., Barros, E. L. S., Camelo-Silva, C., Canella, M. H. M. et al. (2019). Influence of heat treatment and microfiltration on the milk proteins properties. Advances in Food Technology and Nutritional Sciences, 5(2), 54-66. http://doi.org/10.17140/AFTNSOJ-5-157

22. Ostertag, F., Krolitzki, E., Berensmeier, S., Hinrichs, J. (2023). Protein valorisation from acid whey — Screening of various micro- and ultrafiltration membranes concerning the filtration performance. International Dairy Journal, 146, Article 105745. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2023.105745

23. Arunkumar, A. Molitor, M. S., Etzel, M. R. (2016). Comparison of flat-sheet and spiral-wound negatively-charged wide-pore ultrafiltration membranes for whey protein concentration. International Dairy Journal, 56, 129-133. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2016.01.012

24. Babenyshev, S. P., Evdokimov, I. A., Bratsikhin, A. A., Anisimov, G. S., Zhidkov, V. E., Mamay, D. S. (2019) Experimental determination of parameters for milk whey microfiltration process. Journal of Hygienic Engineering and Design, 28, 85-95.

25. Mourouzidis-Mourouzis, S. A., Karabelas, A. J. (2006). Whey protein fouling of microfiltration ceramic membranes — Pressure effects. Journal of Membrane Science, 282(1-2), 124-132. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2006.05.012

26. Barukcic, I., Bozanic, R., Kulozik, U. (2014). Effect of pore size and process temperature on flux, microbial reduction and fouling mechanisms during sweet whey cross-flow microfiltration by ceramic membranes. International Dairy Journal, 39(1), 8-15. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2014.05.002

27. Rezaei, H., Ashtiani, F. Z., Fouladitajar, A. (2011). Effects of operating parameters on fouling mechanism and membrane flux in cross-flow microfiltration of whey. Desalination, 274(1-3), 262-271. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.02.015

28. Heidebrecht, H.-J., Kulozik, U. (2019). Data concerning the fractionation of individual whey proteins and casein micelles by microfiltration with ceramic gradient membranes. Data in Brief, 25, Article 104102. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.104102

29. Carter, B., DiMarzo, L., Pranata, J., Barbano, D. M., Drake, M. (2021). Determination of the efficiency of removal of whey protein from sweet whey with ceramic microfiltration membranes. Journal of Dairy Science, 104(7), 7534-7543. https://doi.org/10.3168/jds.2020-18698

30. Carter, B., DiMarzo, L., Pranata, J., Barbano, D. M., Drake, M. (2021). Efficiency of removal of whey protein from sweet whey using polymeric microfiltration membranes. Journal of Dairy Science, 104(8), 8630-8643. https://doi.org/10.3168/jds.2020-18771

31. Barukčić, I., Božanić, R., Kulozik, U. (2015). Influence of process temperature and microfiltration pre-treatment on flux and fouling intensity during cross-flow ultrafiltration of sweet whey using ceramic membranes. International Dairy Journal, 51, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2015.07.002

32. Steinhauer, T., Hanély, S., Bogendörfer, K., Kulozik, U. (2015). Temperature dependent membrane fouling during filtration of whey and whey proteins. Journal of Membrane Science, 492, 364-370. https://doi.org/10.1016/j.mem-sci.2015.05.053

33. Baldasso, C., Barros, T.C., Tessaro, I.C. (2011). Concentration and purification of whey proteins by ultrafiltration. Desalination, 278(1-3), 381-386. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.05.055