МЕМБРАНЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА

Одним из методов удаления из растворов ионизированных частиц (ионов, молекул) путем переноса их через мембраны в поле постоянного тока является электродиализ. Для электродиализного разделения веществ используют ионообменные мембраны, которые можно классифицировать по химическому составу как гетерогенные или гомогенные и по природе функциональных групп как катионообменные и анионообменные.

К ионообменным мембранам предъявляется ряд требований: высокая избирательная проницаемость для ионов определенного сорта (только катионов или анионов); высокая электрическая проводимость; водонепроницаемость под давлением; высокая химическая и механическая стабильность; однородность и малая степень набухания; стабильность геометрических размеров и формы мембраны при ее переходе из одной в другую ионообменную форму.

Мембранные технології в молочной промишленности

Электродиализная обработка молочного сырья. Следует отметить, что, несмотря на значительные успехи, достигнутые в переработке молочной сыворотки на пищевые цели, все же область использования этого ценного белковоуглеводосодержащего сырья ограничена. В первую очередь, это связано с высоким содержанием в сыворотке минеральных солей, наличие которых затрудняет разработку технологии молочных и пищевых продуктов и обуславливает органолептические и видовые пороки.

Молочную сыворотку разделяют на следующие виды: подсырную (сладкую), получаемую при производстве твердых сыров, в основе которой лежит сычужная коагуляция белков молока; творожную (кислую), получаемую при производстве творога, домашнего сыра и некоторых видов мягких сыров на основе кислотно-сычужной или кислотной коагуляции белков молока; казеиновую, получаемую при производстве казеина.

Основная задача электродиализной обработки сыворотки заключается в ее деминерализации. Удаление солей в процессе электродиализа позволяет получить обессоленный раствор лактозы, переработка которого дает возможность вырабатывать молочный сахар повышенной чистоты, а также открывает новые возможности для переработки деминерализованного лактозного раствора. Следует также отметить, что незначительное содержание солей в сгущенном растворе лактозы способствует более быстрой кристаллизации ее и интенсифицирует производство молочного сахара.

В настоящее время в странах с развитой молочной промышленностью все более широко применяется электродиализная обработка сыворотки. Использование этого процесса в технологии молока дает возможность получить дополнительный источник углевод-содержащего сырья. Можно выделить следующие основные направления переработки и использования деминерализованной молочной сыворотки на основе электродиализа: детское питание, молочно-белковые концентраты, сиропы, напитки, лечебные и диетические продукты, мороженое и др.

Детское питание. Основное назначение деминерализованной молочной сыворотки в продуктах детского питания — регулирование соотношения между казеином и сывороточными белками с целью приближения его состава к женскому молоку. Кроме того, коровье молоко и, следовательно, молочные продукты детского питания по минеральному составу значительно отличаются от женского. В коровьем молоке содержится значительно больше минеральных солей Na, К, Са, Mg и Р, что также ограничивает его использование в качестве основного продукта для детей грудного возраста. Поэтому с помощью деминерализованной молочной сыворотки в детском питании разрешен вопрос получения продуктов-аналогов женского молока. Добавление ее в продукты детского питания обеспечивает их производство с необходимым белковым и минеральным составом.

При производстве названных выше продуктов сухую деминерализованную молочную сыворотку растворяют в теплой воде и пастеризуют при температуре 60—65 °С в течение 30 мин. Восстановленную сыворотку смешивают со сгущенным цельным или обезжиренным молоком с массовой долей 20—25 % сухих веществ, вносят витамины, соли железа и нормализуют содержание жира сливками и растительным жиром. Полученную смесь гомогенизируют при давлении 8—10 МПа при температуре 60—80 °С и сушат на распылительной сушилке.

Молочно-белковые концентраты. Электродиализная обработка дает возможность в процессе производства молочных продуктов регулировать их минеральный состав. Примером таких продуктов может быть концентрат сывороточный белковый (КСБ-УФ/ЭД), получаемый методами ультрафильтрации и электродиализа, КСБ-УФ/ЭД используют в качестве белкового компонента-обогатителя при производстве детских, диетических и других молочных продуктов.

Технологический процесс производства КСБ-УФ/ЭД осуществляют по следующей схеме:

Жидкий и сухой концентраты сывороточных белков, полученные по изложенной технологии, необходимо хранить при температуре не выше 8— 10 °С и относительной влажности воздуха не более 85 %• Срок хранения жидкого концентрата не более трех суток, сухого — не более 6 мес с момента изготовления.

Сиропы, напитки.Обессоливание молочной сыворотки электродиализом дает возможность из этого ценного вида углеводсодержащего сырья изготовлять сиропы и различные прохладительные напитки. При удалении минеральных солей повышается сладость молочной сыворотки, что дает возможность более широко использовать основной углевод молока — лактозу.

В развитых странах из деминерализованной молочной сыворотки изготовляют широкий ассортимент прохладительных напитков с добавлением в нее фруктовых наполнителей, ароматизаторов, пектина и других вкусовых веществ.

Мороженое. Минимальное содержание в деминерализованной сыворотке минеральных веществ имеет важное значение для использования ее в про­изводстве мороженого.

В молочной промышленности обратный осмос как метод концентрирования находит применение для сгущения молока и лактосодержащего молочного сырья. Наибольшая перспектива применения этого метода для сгущения ультрафильтрата молока, сыворотки ипахты.

Концентрирование молочной сыворотки повышает содержание в ней лактозы, белка и некоторых минеральных веществ. При этом изменяются и физико-химические показатели концентрируемого сырья

Цельное молоко. При его ультрафильт рации, кроме белковых компонентов и нерастворимых минеральных веществ, концентрируется и молочный .жир, находящийся в виде эмульгированных капель, размеры которых значительно превышают диаметр пор полупроницаемой мембраны

Селективность ультрафильтрационных меморан по молочному жиру максимальная и равняется 100 %. Поэтому массовая доля сухих веществ в концентрате цельного молока увеличивается значительно быстрее, чем в ультрафильтрационном концентрате обезжиренного молока. Молочный жир оказывает существенное влияние на состав и физико-химические показатели (вязкость, плотность) конечного продукта ультрафильтрационного разделения цельного молока.

Питьевое молоко. Наиболее широкое применение ультрафильтрации возможно для увеличения массовой доли белка при производстве молочных продуктов с повышенным содержанием сухих веществ. К ним относится белковое молоко, выпускаемое отечественными предприятиями, технология которого предусматривает внесение молочно-белковых концентратов в виде сухого цельного, обезжиренного и сгущенного молока. Биологическая ценность белкового молока, получаемого ультрафильтрацией, будет выше, чем у продукта, выпускаемого с применением традиционной технологии. Это обусловлено тем, что при ультрафильтрации белковая фаза исходного молока не подвержена каким-либо изменениям и полностью сохраняет свои нативные свойства.

Сливки. Национальным научно-исследовательским молочным институтом Великобритании проведены исследования по получению методом ультрафильтрации взбитых сливок с высокой стойкостью и пищевой ценностью. По предложенной технологии цельное молоко подвергают ультрафильтрационному концентрированию до фактора концентрации 5:1. Затем полученный концентрат сепарируют и получают сливки 55 %-ной жирности. Полученные сливки пастеризуют, охлаждают и выдерживают в течение 40 ч перед сбиванием. После этого их разводят концентрированным молоком до требуемого содержания жира [от 25 до 50 %] и взбивают. Полученные сливки в водной фазе содержат больше белка, чем полученные из цельного молока. Поэтому при изготовлении взбитых сливок сокращается время сбивания и они отличаются от сливок из цельного молока лучшей стабильностью и питательной ценностью.

Кисломолочные напитки. Ультрафильтрацию успешно применяют при производстве кисломолочных напитков, производимых за рубежом этим способом уже в промышленном масштабе. При производстве йогурта используются различные технологические схемы метода ультрафильтрационного концентрирования. Основным отличием их является подсгущение сквашиваемого молока ультрафильтрацией до различных степеней содержания белка. По-видимому, это объясняется стремлением получить йогурт, состав которого максимально приближен к составу традиционного кисломолочного продукта, вырабатываемого в каждой стране, а также желанием значительно улучшить качество готовой продукции и повысить эффективность его производства.

Применение ультрафильтрации для производства йогурта дает возможность увеличить количество белка в молочном сырье без существенного повышения содержания лактозы. Это будет способствовать повышению вязкости и физической стабильности продукта и устранению тенденции к снижению вязкости, характерной для лактоз.

Фирмой «Гранье Женевьев Нэ Дюмонто» (Франция) разработан способ производства кисломолочных напитков типа йогурт, в котором устраняется основной недостаток технологии — нерегулируемое сбраживание продукта в процессе хранения. При этом способе для приготовления йогурта в качестве исходного сырья используют молоко, в котором отношение количества белка к лактозе больше, чем в обычном молоке. Это достигается ультрафильтрационной обработкой молока и частично удалением лактозы.

При производстве йогурта по разработанной технологии исходное сырье концентрируют при температуре 5—50°С до получения концентрата с содержанием 7—15 % белка. Затем полученный концентрат подвергают тепловой обработке при температуре 55—65 °С с выдерживанием в течение 30 мин или при температуре 70—80 °С без выдерживания, охлаждают до температуры заквашивания и вносят закваску молочнокислых культур. В готовый продукт добавляют пищевые наполнители, например сливки, фруктовые добавки. Полученный йогурт отличается повышенной вязкостью и более длительным сроком хранения.

Сметана. Для улучшения консистенции сметаны и повышения ее биологической ценности в сливки, используемые на ее производство, предложено вносить жидкие ультрафильтрационные концентраты обезжиренного молока, пахты, сыворотки или сухой сывороточно-белковый концентрат (КСБ-УФ). Данный прием используют при производстве сметаны с наполнителями следующих видов: студенческая 10 %-ной жирности, столовая 15 %-ной, домашняя 20 %-ной жирности,

Технологический процесс производства сметаны с указанными выше наполнителями состоит из следующих операций:

Творог и творожные пасты. Особые перспективы ультрафильтрация имеет при производстве творога. При изготовлении творога можно значительно увеличить выход готовой продукции за счет более полного использования сывороточных белков. Теоретически выход творога можно увеличить на 15—20 %. Однако, как показал опыт, творог с характерными органолептическими показателями из ультрафильтрационного концентрата практически получить не удается, поскольку сохраняется горький вкус, обусловленный высоким содержанием в концентрате нерастворимых солей кальция преимущественно в виде коллоидного фосфата. Поэтому при производстве творога максимально концентрировать молоко не представляется возможным.

Разработана технология детского творога, в основе которой лежит ультрафильтрационное концентрирование молока. Данный процесс осуще­ствляется на ультрафильтрационной установке фир­мы «Альфа—Лаваль», укомплектованной фильтрующими патронами с полыми волокнами. Технологическая схема производства творога состоит из следующих операций:

Детский творог, полученный из молока, концентрированного ультрафильтрацией, имеет однородную, нежную, мажущуюся консистенцию (допускается небольшая мучнистость), чистый кисломолочный вкус и запах, молочно-белый или слегка кремоватый цвет. Физико-химические показатели детского творога следующие: массовая доля жира 15 %, влаги — не более 75 %, кислотность — не более 150 °Т. Наличие кишечной палочки и патогенных микроорганизмов не допускается.

Производство сыров— одна из самых важных областей применения ультрафильтрации в молочной промышленности, поскольку ее используют практически при изготовлении всех видов сыров: свежих, мягких, полутвердых и твердых.

Впервые ультрафильтрационное концентрирование молока в сыроделии привлекло внимание специалистов молочной промышленности после сообщения в 1969 г.

Французским национальным институтом агрономических исследований о том, что использование ультрафильтрации в производстве мягкого сыра камамбер дает возможность увеличить выход готовой продукции на 20 %. Поэтому в каждом конкретном случае, в зависимости от вида сыра, а также технологических особенностей его изготовления, молоко необходимо концентрировать до такого значения фактора концентрации, который обеспечивает получение продукта с необходимыми органолептическими и физико-химическими показателями.

Вместе с тем следует отметить, что установлено оптимальное значение фактора концентрации при производстве мягких и твердых сыров, выпускаемых в стране. Так, в случае производства мягких сыров оптимальное значение фактора концентрации молока составляет 3,5—4,5, что соответствует следующему составу ультрафильтрационных концентратов, %: белка — 10,5—13, лактозы — 4,5—5, минеральных солей до 1.

При производстве твердых сыров исходное цельное молоко следует концентрировать до массовой доли сухих веществ 14—15 % (массовая доля белка 4—4,2 %), а фактор концентрации не должен превышать 2. В случае более высоких значений фактора концентрации для обеспечения производства сыра с хорошими органолептическими показателями в обязательном порядке следует применять специальные технологические приемы — подкисление исходного сырья и диафильтрационную обработку молочно-белковых концентратов.

В Одесской академии пищевой промышленности разработана технология домашнего сыра, предусматривающая ультрафильтрационное концентрирование обезжиренного молока , что в конечном итоге сокращает расход молока на 8—10 %, сычужного фермента, хлористого кальция, закваски — на 30—50%, повышает производительность сырных ванн примерно в два раза, уменьшает потери в виде сырной пыли, а также способствует получению продукта с крупными и однородными размерами сырных зерен.

Технологическое производство домашнего сыра из концентрата обезжиренного молока включает следующие операции: