Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
Moscow, Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
Milk powder (MP) is a widely spread ingredient used in the production of various types of food products in dry or reconstituted form, the condition and technological properties of which the quality of the finished product depends. One of significant factors influencing the quality characteristics of the MP and the forma- tion of its technological properties are undoubtedly the processes used in its manufacture, including such mandatory production step as preliminary concentration (evaporation). The study of scientific and technical materials revealed the demand for updating knowledge and structuring information, considering the impact of various concentration methods on the MP quality. The aim of the research was to analyze and systematize the information on the effect of concentration methods used in dairy industry as a preliminary stage of milk condensation before spray drying on the MP technological properties. The following methods were consid- ered: vacuum evaporation, hyperfiltration, cryoconcentration. A brief description was given. The main MP technological properties (recoverability, thermal stability, cheese suitability) depended on the composition, size and form of dry particles, solubility, dispersibility, wettability, etc. The process of vacuum evaporation had long been widely used on an industrial scale for various MP types’ manufacture. Progressive evaporation methods (hyperfiltration and cryoconcentration) were increasingly used, but mainly in instant skimmed milk powder production. Physicochemical parameters of the MP, developed using studied concentration types, corresponded to standardized norms. The MP obtained using cryoconcentration consisted of agglomerated particles, which contributed to its better solubility. None of the evaporators’ kinds had any significant impact on the dispersibility and wettability. Thermal stability was also almost the same with some minor differences when cryoconcentration was applied. Heat treatment before evaporating and drying had a dominant influ- ence on thermal stability and cheese suitability. To expand the understanding of the pre-evaporating effect on the MP technological properties, additional research is required, especially on milk concentrate in dry whole milk production, obtained by modern concentration methods.
milk powder, quality, technological and functional properties, vacuum evaporation, reverse osmosis, cryoconcentration.
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. Oganesyanc L.A., Hurshudyan S.A., Galstyan A.G. Monitoring kachestva pischevyh produktov – bazovyy element strategii // Kontrol' kache- stva produkcii. 2018. № 4.S. 56–59.
3. Kruchinin A.G., Illarionova E.E., Bigaeva A.V. [i dr.]. Rol' tehnologicheskih svoystv suhogo moloka v formirovanii kachestva pischevyh sistem // Vestnik KrasGAU. 2020. № 8 (161). S. 166–173. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-8- 166-173.
4. Galstyan A.G., Semipyatnyy V.K. K voprosu o rasshirenii oblasti ocenochnyh kriteriev kachestva pischevyh produktov // Aktual'nye voprosy industrii napitkov. 2017. № 1. S. 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. T. 4. № 1. P. 102–109. DOI:https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-1-102-109.
6. Turovskaya S.N., Galstyan A.G., Petrov A.N. [i dr.]. Bezopasnost' molochnyh konservov kak integral'nyy kriteriy effektivnosti ih tehnologii. Rossiyskiy opyt // Pische- vye sistemy. 2018. T. 1, № 2. S. 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. Radaeva I.A., Chervecov V.V., Galstyan A.G. [i dr.]. Mezhgosudarstvennyy standart na suhoe moloko // Molochnaya promyshlennost'. 2016. № 3. S. 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. Radaeva I.A., Galstyan A.G., Petrov A.N. [i dr.]. Sguschennoe moloko – syr'e dlya moloch- noy promyshlennosti. Novye vidy // Pere- rabotka moloka. 2011. № 6 (140). S. 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. Zolotoreva M.S., Evdokimov I.A. Harito- nov V.D. Membrannye tehnologii dlya obe- specheniya effektivnosti i bezopasnosti molochnogo proizvodstva // Molochnaya pro- myshlennost'. 2018. № 5. S. 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. Korotkiy A.I., Korotkaya E.V., Neverov E.N. [i dr.]. Razrabotka nizkotemperaturnoy teh- nologii izvlecheniya belka iz tvorozhnoy sy- vorotki // Vestnik KrasGAU. 2020. № 2 (155). S. 148–154. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2020-2- 148-154.
18. Korotkiy I.A., Korotkaya E.V., Mal'ce- va O.M. Razdelitel'noe vymorazhivanie pri pererabotke obezzhirennogo moloka // Vest- nik KrasGAU. 2015. № 10 (109). S. 115–121.
19. Ostroumov L.A., Korotkaya E.V., Mal'ce- va O.M. Vliyanie kriokoncentrirovaniya na soderzhanie suhih veschestv obezzhirennogo moloka // Molochnaya promyshlennost'. 2018. № 8. S. 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.
