Организация переработки молочной сыворотки с применением биотехнологий

Введение
Молоко является одним из наиболее ценных пищевых продуктов, в котором белки, жиры, углеводы и минеральные вещества присутствуют в оптимальном соотношении. Белки молока включают все незаменимые аминокислоты и считаются одними из самых качественных животных белков. Биологическая ценность молочного жира определяется наличием полиненасыщенных жирных кислот, фосфолипидов и жирорастворимых витаминов. В дополнение к этому, молоко содержит ферменты, гормоны и почти полный спектр витаминов. Таким образом, переработка молока должна быть полноценной и комплексной. Однако только при производстве цельномолочных продуктов (таких как пастеризованное и стерилизованное молоко, кисломолочные напитки) удается полностью использовать все его компоненты.
1. Понятие биотехнологии, ее место в современном мире
Люди использовали биотехнологические процессы с самых ранних времен. Еще до начала нашей эры, человечество освоило технологию выпечки хлеба, производства кисло-молочных продуктов, сыра, вина, пива и уксуса с помощью процессов брожения и ферментации. Описание технологии пивоварения было найдено в 1981 году при археологических раскопках в Вавилоне на табличке, датируемой примерно 6-м тысячелетием до н. э. Шумеры производили до двадцати различных сортов пива. Очевидно, что эти практики были основаны на эмпирических наблюдениях.
Только в XIX веке знаменитый французский ученый Луи Пастер (1822-1895) открыл микробную природу брожения, что ознаменовало начало научного развития биотехнологии. Пастера часто называют основоположником биотехнологии, а период с 1860-х по 1940-е годы – пастеровской эрой.
Пастер доказал, что спиртовое брожение сахара связано с жизнедеятельностью дрожжевых грибков, которые питаются и размножаются за счет бродящей жидкости, превращая часть сахара в клетки дрожжей и побочные продукты, такие как глицерин и янтарная кислота. Он также установил существование двух типов бактерий: аэробных, нуждающихся в кислороде, и анаэробных, развивающихся без него. Впоследствии Пастер опроверг теорию самозарождения микроорганизмов, что имело большое значение для развития антисептических методов в хирургии. Пастер предложил использовать нагревание для продления сроков хранения вина, пива и молока, процесс, который теперь известен как "пастеризация". На основе работ Пастера и его учеников были созданы производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин и организованы процессы биологической очистки сточных вод.
2. Объекты биотехнологии и их функции
Объекты биотехнологии и их функции:
Хлебопекарные дрожжи: Это грибы рода Saccharomyces, которые обладают способностью превращать сахар в спирт и углекислый газ в процессе спиртового брожения. В хлебопечении дрожжи вызывают подъем теста, обеспечивая его объем и пористость. Углекислый газ, образующийся в процессе брожения, заставляет тесто расширяться, а спирт испаряется при выпечке.
Дрожжи сахаромицеты: В хлебопечении эти дрожжи играют ключевую роль в процессе брожения, обеспечивая подъем теста и формирование характерной текстуры хлеба. Они также способствуют развитию вкуса и аромата хлеба.
Молочнокислые бактерии: Эти бактерии участвуют в процессе молочнокислого брожения, превращая сахар в молочную кислоту. В хлебопечении они могут использоваться для придания специфического вкуса и улучшения сохранности хлеба. Молочная кислота также обладает антисептическими свойствами, что помогает предотвратить размножение вредных микроорганизмов.
Ферменты: В тестоведении ферменты, такие как амилазы, протеазы и липазы, играют важную роль. Амилазы помогают разжижать крахмал, что улучшает качество хлеба. Протеазы способствуют гидролизу белков, что улучшает свойства теста и качество хлеба. Липазы могут улучшать пенообразующие свойства теста и улучшать вкус хлеба[2]
Увеличение производства творога и связанных с ним продуктов приводит к резкому росту объема сыворотки как побочного продукта обработки молока. Это значительно снижает эффективность производства и приводит к серьезным экологическим проблемам. В настоящее время лишь около 38% сыворотки перерабатывается, а остальная часть просто сбрасывается, что негативно сказывается на окружающей среде. Эксперты оценивают объем сброшенной сыворотки, в основном творожной, в 1,5-3 миллиона тонн в год.
Таким образом, вопрос утилизации сыворотки тесно связан с защитой природы. Соответствующие нормативные акты определяют молочную сыворотку как однородную жидкость зеленоватого цвета без примесей, с характерным вкусом (для творожной сыворотки - кисловатым), без посторонних привкусов и запахов. Ультрафильтрат представляет собой однородную прозрачную жидкость с легкой опалесценцией.
Теоретически выход сыворотки при переработке составляет около 90% от исходного сырья. Однако на практике с учетом потерь выход нормируется в пределах 65-80%. Таким образом, при переработке 1 тонны молока на белково-жировые продукты образуется до 800 литров молочной сыворотки. Мировое ежегодное производство молочной сыворотки оценивается в 100 миллионов тонн. В последние годы в России объемы сыворотки значительно снизились и составляют примерно 4-6 миллионов тонн в год[3]
Схема 1. Основные направлений использования и переработки молочной сыворотки
Стадии биотехнологического производства:
Технологический процесс производства сгущенной сыворотки с массовой долей сухих веществ 22% включает следующие этапы:
Основные этапы технологического процесса производства сгущенной сыворотки с массовой долей сухих веществ 22%:
1. Прием и охлаждение
• Прием сырой сыворотки и учет ее количества
• Охлаждение сыворотки до температуры хранения
2. Очистка от сывороточной пыли
• Удаление из сыворотки взвешенных частиц и сывороточной пыли
3. Резервирование и пастеризация
• Хранение сыворотки перед дальнейшей переработкой
• Пастеризация сыворотки для уничтожения патогенных микроорганизмов
4. Сепарирование
• Удаление жира из сыворотки путем сепарирования
5. Обратный осмос
• Сгущение сыворотки путем удаления воды с помощью обратноосмотического процесса
6. Хранение и подготовка к отгрузке
• Хранение сгущенной сыворотки в специальных емкостях
• Подготовка сгущенной сыворотки к отгрузке и отправке потребителям
3.Современные методы переработки молочной сыворотки
В настоящее время существует широкий спектр методов переработки молочной сыворотки, включая:
• Очистку
• Термообработку
• Выпаривание
• Обессоливание (электродиализ)
• Сушку
• Денатурацию и выделение белков
• Концентрирование и гидролиз молочного сахара
Одним из наиболее эффективных и популярных методов переработки сыворотки является использование мембранных технологий.
Мембранные методы переработки сыворотки
Для переработки молочной сыворотки применяются следующие мембранные методы:
• Микрофильтрация (МФ)
• Ультрафильтрация (УФ)
• Нанофильтрация (НФ)
• Обратный осмос (ОО)
Каждый метод использует мембраны с разным размером пор для разделения компонентов сыворотки. МФ удаляет взвешенные частицы и крупные молекулы, УФ разделяет сывороточные белки и лактозу, НФ удаляет более мелкие соли и молекулы, а ОО практически полностью очищает сыворотку.
Использование мембранных методов позволяет:
• Уменьшить потребление энергии
• Сократить потери питательных веществ
• Улучшить качество конечных продуктов
• Расширить ассортимент продуктов, получаемых из сыворотки

Рис. 1. Режимы мембранной фильтрации по типу фильтруемых элементов
Метод микрофильтрации (МФ)
МФ - процесс мембранной фильтрации, применяемый для предварительной обработки сыворотки. Керамические трубчатые или полисульфонамидные спиральные мембраны используются для устранения бактерий, споров и мелкого жира.
Ультрафильтрация (УФ)
УФ используется для выделения белков из сыворотки путем отделения лактозы и солей через мембраны. Полученные концентраты содержат от 30 до 95% белка в сухих веществах. Они применяются в производстве мороженого, кисломолочной продукции (йогурт, сметана) и сыров.
Нанофильтрация и обратный осмос
Эти методы используются для удаления минеральных солей и концентрирования сыворотки. Концентрат содержит белки, углеводы и часть минеральных веществ, а фильтрат - солевой раствор низкой концентрации. НФ обеспечивает частичную деминерализацию и концентрирование, что уменьшает объем сыворотки и улучшает органолептические свойства при производстве сухой сыворотки.
Электродиализ – технология разделения растворенных веществ, основанная на различиях в их способности к ионизации и переносе ионов через мембраны. Разность электрических потенциалов между двумя электродами, расположенными с разных сторон мембраны, создает электрическое поле, которое разделяет заряженные ионы в растворе.

























Заключение
В данном реферате были рассмотрены актуальные вопросы организации переработки молочной сыворотки с применением биотехнологий. Было отмечено, что сыворотка, являясь побочным продуктом производства сыра и творога, представляет собой ценное сырье, богатое лактозой, сывороточными белками, витаминами и минералами.
В работе проанализированы различные биотехнологические методы переработки сыворотки, такие как: