Современная техника и технологии производства творога

Производство творога традиционным способом сопровождается большим отходом сыворотки с потерей биологически ценных сывороточных белков, оставшаяся при производстве творога сыворотка содержит до 50% сухих веществ, имеющихся в молоке, в том числе и легко усвояемые белки, лактозу, ферменты, витамины, органические кислоты, макрои микроэлементы. Кроме того, традиционная технология производства творога характеризуется большим расходом молока на единицу получаемой продукции, она позволяет использовать только 75−80% белков, содержащихся в молоке. Поэтому в настоящее время разрабатываются новые аппараты для производства творога, а также совершенствуются сами методы его производства /27/.

Современная техника производства творога сейчас практически полностью механизировала классические технологические операции, тем самым ограничив потери сырья и выведя производственные линии на высокие мощности. Система управления и автоматики гарантирует повторяемость технологических процессов, а благодаря исключению человеческого фактора производственный процесс осуществляется на высоком санитарно — гигиеническом уровне. Кроме того, высоко механизированное производство повышает выход продукции на 15% с единицы сырья; дает возможность производства широкого ассортимента изделий с различными вкусовыми, биологическими и пищевыми характеристиками.

Основным направлением совершенствования производства творога является использование мембранной технологии. На многих молочных предприятиях мембранная фильтрация давно и успешно используется и является привлекательной альтернативой традиционным процессам переработки. Эти процессы за последние 30 лет нашли широкое применение в различных отраслях промышленности для очистки или концентрирования жидких сред.

Мембранная фильтрация — это технология фильтрации с помощью полупроницаемых мембран, позволяющая производить разделение эмульсии (молоко, сыворотка) на составляющие. К мембранным методам обработки относятся ультрафильтрация, обратный осмос, нанофильтрация, микрофильтрация и электродиализ. Сущность всех мембранных методов — это разделение и концентрирование молочного сырья в процессе фильтрации через специальные мембраны под действием давления или электрического поля (электродиализ).

Молочная отрасль одной их первых начала использовать процессы мембранной фильтрации, так первые ультрафильтрационные установки за рубежом появились еще в 70-е годы прошлого века. Первые опыты в использовании этого метода были поставлены на твороге и сыре, производилось выделение белков из подсырной и творожной сывороток и концентрация молока с целью повышения выхода готового продукта и сокращению производственных затрат. В настоящее время сфера применения УФ значительно расширилась.

Применение мембранной технологии при производстве творога позволяет сохранить сывороточные белки в готовом продукте, при этом фильтрат не содержит белковой фракции и является стерильным, поэтому может быть использован для производства напитков, молочного сахара и других продуктов /20/.

Создание мембранной техники основывается на использовании тех или иных видов селективно проницаемых мембран. При этом либо мембрана пропускает только молекулы растворителя, либо частично с растворителем проходят ионы и молекулы задерживаемых веществ. Схема мембранной фильтрацией довольно проста, создаваемая разница давлений заставляет частицы, которые меньше, чем поры мембраны, проникать через нее (пермеат), в то время как оставшиеся компоненты задерживаются (ретентат, концентрат). Входящий поток продукта направляется параллельно мембране, что не позволяет загрязнять поверхности мембраны во время процесса разделения компонентов. Этот процесс и составляет суть поточной фильтрации. При мембранной фильтрации размер пор мембран определяет предельные параметры сепарации. Таким образом, основное отличие микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса состоит в плотности используемой мембраны:

• 1. Микрофильтрация отделяет частицы, размер которых лежит в диапазоне 0,05−10 мкм. В этот диапазон попадают бактерии, жировые шарики молока и крупные мицеллы казеина.
• 2. Ультрафильтрация отделяет коллоидные частицы и высокомолекулярные вещества, размер которых лежит в диапазоне 0,001−0,05 мкм или 5000−500 000 дальтон. В этот диапазон попадают казеин и сывороточные белки.
• 3. Нанофильтрация отделяет молекулы, размер которых лежит в диапазоне 0,0005 — 0,001 мкм или 400 — 1000 дальтон. В этот диапазон попадают лактоза и некоторые аминокислоты.
• 4. Обратный осмос, который отделяет молекулы и ионы размером 0,0005 мкм или молекулярным весом меньше, чем 400 дальтон.

Движущей силой мембранных процессов является давление, приложенное к поверхности обрабатываемой жидкости, в то время как при обычной фильтрации давление — это только ускоритель процесса. МФ, УФ и НФ можно отнести к процессам, протекающим при низком давлении (менее 12 кгс/см), в отличие, например, от обратного осмоса (около 20 кгс/см) [36].

Поскольку в реальных процессах производительность установок должна быть технологически приемлемой, то и рабочее давление в них должно значительно превосходить осмотическое. Обычно рабочее давление в среднем поддерживается в интервале 1−2,5 МПа. В растворах, содержащих высокомолекулярные вещества с максимальным диаметром частиц 0,5 мкм (или молекулярной массой не более 500), осмотическое давление пренебрежимо мало. Для разделения таких растворов применяют процесс мембранной фильтрации на специальных мембранах, пропускающих лишь воду, ионы и молекулы низко — молекулярных соединений. В этом случае рабочее давление в аппарате не превышает 0,5 МПа. Таким образом, процесс ультрафильтрации могут проводить под давлением 0,2−0,8 МПа, а обратный осмос — 2−10 МПа /36/.

Эффективность мембранных процессов в значительной мере определяется свойствами применяемых мембран, которые должны отвечать следующим требованиям: они должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной проницаемостью, устойчивостью к действию среды, неизменностью характеристик в процессе эксплуатации, достаточной механической прочностью, иметь низкую стоимость.

Имеющиеся в настоящее время мембраны можно подразделить на 2 класса: из органических (полимерных) и неорганических материалов. При мембранной фильтрации используют тонкую мембрану с контролируемым размером пор. Размеры пop мембран варьируются от 0,05 мкм (граница минимальных размеров пор в микрофильтрационных мембранах) до 5 нм (граница пор максимального размера в нанофильрационных мембранах) /20, 26/.

В мембранных процессах применяют пористые мембраны, в которых задержка частиц определяется главным образом их размером и формой в соответствии с размерами пор мембраны, а транспорт растворителя прямо пропорционален приложенному давлению. При этом УФ-мембраны имеют ассиметричное строение, вследствие чего гидродинамическое сопротивление определяется не всей толщиной мембраны, а только ее небольшой долей. Благодаря этому толщина верхнего слоя такой мембраны значительно меньше и составляет всего лишь 1мкм /26/.

Поток через мембраны прямо пропорционален приложенному давлению.

Широкое практическое применение получили керамические мембранные элементы трубчатого типа. Они обладают длительным сроком эксплуатации — не менее 10 лет, стойкостью к температуре до 300 °C, стойкостью к щелочным и кислотным средам (рН 0−14). Кроме того, высокая механическая прочность керамических мембран позволяет не только упростить конструкцию оборудования, но и создать новые технологии переработки молочных продуктов. Но все же, разнообразие применяемых мембран поражает, так, например, в системе «Сартокон-2» используют модули с мембранными фильтрами из ацетата целлюлозы или полеолефина, триацетатцеллюлозы или полисульфона /20/.

Установки для мембранных технологий бывают непрерывного и периодического действия. Установки периодического действия применяют, как правило, только в лабораториях. В промышленности работают проточные машины непрерывного действия. Время непрерывной работы установок в среднем составляет 6−8 часов, время безразборной мойки, дезинфекции и регенерации мембран — 3,5−4 часа. Мембранные установки для производства творога состоят из мембранного аппарата, насосов, дозирующих устройств, емкостей для исходного раствора, фильтрата, концентрата, моющих растворов, охладителей творога, соединительных трубопроводов и контрольно — измерительных приборов /25/.

Для мембранного разделения применяют 4 типа аппаратов: плоскорамные, трубчатые, рулонные и с полыми волокнами.

Плоскорамные аппараты по конструкции похожи на фильтр для обычного фильтрования и являются наиболее простыми мембранными аппаратами. Основа этой конструкции — фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки», изготовленных из пористого материала. Листы подложки имеют отверстия для прохода жидкости. Эти листы расположены на расстоянии от 0,5 до 5 мм, образуя межмембранное пространство для разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляется из аппарата.

Аппараты такого типа применяют в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока. Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0…6,8 м³/ч, по концентрату- 0,16…0,3 м³/ч. /36/.

Трубчатые аппараты — это аппараты с цилиндрическими фильтрующими элементами, представляющими собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой подложки, исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Изготовляют цилиндрические фильтрующие элементы трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны /20/.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами и с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса, имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из — за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции. Недостатки этой конструкции — низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкция фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки, а кроме того, механическая очистка фильтрующих элементов практически невозможна.

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата /25/.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько рулонных фильтрующих элементов. Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки» для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор. Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении, а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата /36/.

Все мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе.

Сейчас разработано множество способов получения творога различными методами мембранной фильтрации, рассмотрим некоторые из них. Например, ультрафильтрация нормализованной смеси для получения творога и сыра, схема которой представлена в Приложении Б 1.

Одной из возможных областей применения УФ — мембран является фильтрация кислой сыворотки из сепаратора для творога. Такая сыворотка все еще содержит большое количество сывороточного белка, в особенности, при использовании стандартного способа производства творога. После процесса ультрафильтрации сывороточный белок концентрируетвся в основном в ретентате (примерно до 17−19% сухого вещества), при этом пермеат практически не содержит сывороточного белка. Ретентат подвергается высокотемпературному нагреву с целью осаждения молочного белка, а затем гомогенизируется. По завершении этого этапа он смешивается с творогом, выгружаемым из сепаратора. Этот процесс повышает эффективность стандартного способа благодаря использованию сывороточного белка, увеличивая таким образом выход продукта. Однако количество добавляемого ретентата ограничено из — за его негативного влияния на органолептические свойства, и, согласно современным представлениям, оно не должно превышать 80% /37/.

Ультрафильтрацию применяют с целью стандартизации молока по белку при производстве творога, выделения сывороточных белков, концентрирования белковой части молока, получения творога и безбелковой сыворотки.

При производстве стандартного творога также можно использовать микрофильтрацию для концентрирования обезжиренного молока перед его сквашиванием, таким образом повышается содержание белка, представляющего интерес для процесса, а другие менее важные компоненты удаляются. Схема этого процесса представлена в Приложении Б 2. Для этого обезжиренное молоки или молоко после предварительной тепловой обработки нагревается до температуры фильтрования порядка 50 °C и подается в систему фильтрования. Мембраны подбираются таким образом, чтобы казеин оставался в ретентате, и его концентрация повышалась. Содержание сухого вещества в обезжиренном молоке может повыситься от порядка 9% до примерно 12%, а белка до примерно 5%. Полученный пермеат содержит только сывороточный белок, лактозу и золу. Такой пермеат считается идеальным и находит различное применение, исключительно интересен с точки зрения перспектив его использования в питании. Количество образующейся кислой сыворотки значительно уменьшается благодаря такой предварительной тепловой обработки, а вместо него получают сладкий молочный пермеат. Ретентат из процесса фильтрования может быть использован для производства классического творога, однако следует учесть увеличение в нем сухого вещества, что повлечет определенную модификацию процесса /37/.

Для производства творога также разработан комбинированный процесс нано — и ультрафильтрации. В данном процессе нанофильтрация используется для предварительного концентрирования обезжиренного молока и снижения количества кислой сыворотки. После сквашивания дополнительное концентрирование выполняется методами ультрафильтрации. В литературе экспериментальные результаты такого процесса рассматривают как положительные, однако пока на практике еще не получен ответ на вопрос, смогут ли такие продукты выдержать сравнение с точки зрения качества, и найдут ли спрос на рынке описанные питательные достоинства.

Что касается нанофильтрации, то в молочной промышленности ее используют для концентрирования молочной сыворотки до 18 — 22% сухих веществ; частичной деминерализации молочной сыворотки — удаление минеральных веществ до 30%; концентрирования пермеата /36/.

Обратный осмос применяют для концентрирования молочной сыворотки до 10 — 20%, обезжиренного молока, пермеата и получения чистой воды. Ретентат содержит повышенное содержание сухих веществ, из него можно произвести концентрат молочной сыворотки, сухую молочную сыворотку, молочную сыворотку частично деминерализованную. Пермеат представляет собой чистую воду, но может содержать небольшое количество небелкового азота и золу /36/.

Электродиализ — это разделение веществ, основанное на их электролитической диссоциации и переносе образовавшихся ионов через мембрану под действием разности потенциалов, создаваемой в растворе по обе сторону от мембраны. Применяется для регулирования минерального состава, кислотности, сушки молочной сыворотки с снижением времени кристаллизации переработки кислой сыворотки (казеиновой творожной), удаления радиоактивных элементов из сыворотки. Cхема электродиализа представлена в приложении Б 3 /36/.

Из всех мембранных методов применяемых при производстве творога наибольшее распространение получила УФ. В Германии, например, до 30% выпускаемого столового творога производится с использованием ультрафильтрации.

Творог, изготовленный с применением процесса мембранной фильтрации, отличается от традиционных продуктов своей структурой и большей кремовой консистенцией. Его вкусовые качества намного лучше, чем в твороге, изготовленном традиционным способом с одинаковым содержанием жира.

Важным достоинством новой технологии является то, что при получении творога из обезжиренного молока за счёт повышенного содержания белков его вкусовые и питательные качества выше даже по сравнению с творогом, полученным традиционным способом из нормализованного по жиру молока. Из-за сохранения сывороточных белков выход продукции увеличивается, так как в фильтрат переходят только вода, лактоза и соли (при содержании сухих веществ в твороге 18−20% на 1 кг творога расходуется 3−3,2 л молока) /24/.

При производстве творога методом фильтрации из восстановленного молока выход продукции, вкусовые и питательные качества творога, внешний вид не отличается от творога полученного тем же методом из цельного молока. Уникальная технология ультрафильтрации при производстве творога позволяет максимально сохранить в получаемом твороге нативные сывороточные белки, что определяет его особые биологические и питательные свойства, такой творог содержит оптимальное количество кальция и фосфора.

При традиционных методах получения творога с сывороткой уходят сывороточные белки, которые относятся к биологически активным продуктам, а также часть казеиновых белков. Новая технология получения творога, основанная на ультрафильтрации сквашенного молока, обеспечивает сохранение в получаемом твороге сывороточных белков в нативном состоянии, и полное выделение казеиновых белков. При таком способе производства творога возможно также применение в качестве сырья сухого молока без дополнительных потерь и заметного ухудшения качества /29/.

Также творог, полученный таким методом, можно использовать в качестве исходного сырья для производства масс, творожных сырков, плавленых сыров и пр.