Польза в каждой капле: как из молочных отходов получают воду и ценную пищевую добавку

Как извлечь из молока еще больше пользы? Например, найти применение побочным продуктам молочного производства. Именно так поступили исследователи из Северо-Кавказского федерального университета, превратив ранее считавшиеся ненужными отходы в источник воды и полезного минерального концентрата, который можно добавлять в напитки и пищу. Об инновации корреспонденту «Научной России» рассказал старший научный сотрудник Центра биотехнологического инжиниринга СКФУ кандидат технических наук Виталий Александрович Кравцов.

При производстве некоторых ингредиентов молочного происхождения, например сухой сыворотки и лактозы, 80% исходного сырья в виде водного раствора различных веществ обычно утилизируются как отходы. До недавнего времени извлечь пользу из этих огромных объемов побочных продуктов не удавалось.

«Идея нового подхода родилась, с одной стороны, из реальной потребности молокоперерабатывающего предприятия, производящего отход — пермеат (жидкий продукт мембранной очистки. — Примеч. авт.) нанофильтрации молочного сырья. С другой стороны, разработанная нами технология — плоть от плоти современной молочной повестки: в этой области в последние годы во главу угла ставятся такие понятия, как устойчивое развитие, экономика замкнутого цикла, zero liquid discharge (англ. «нулевой сброс жидких отходов» — Примеч. авт.), да и фильтрация сегодня представляет собой основополагающую технологию и в водоочистке, и в производстве молочных ингредиентов, — объяснил В.А. Кравцов. — В качестве объекта переработки мы рассматривали поток, образующийся при прохождении молочного сырья через нанофильтрационную мембрану, — ее поры столь малы, что даже минеральные соли проникают сквозь нее избирательно. Например, кальций — потенциально самый перспективный для выделения из молочной сыворотки элемент — при нанофильтрации полностью задерживается. Так что в нашей работе мы попытались найти применение отходу, переработка которого изначально выглядела не слишком выгодной затеей».

Некоторые ценные составляющие в таких молочных отходах все-таки есть — важнейшую роль среди них играет калий. В определенном балансе с натрием этот элемент поддерживает различные процессы в организме, включая правильную работу сердца. Но нужное соотношение соблюдается не всегда: натрий часто потребляется с избытком в составе соленых продуктов, а вот калия в организм поступает гораздо меньше.

Исследователи из СКФУ разработали метод, позволяющий разделять отходы молочных заводов на богатый калием минеральный концентрат и воду. Для этого ученые используют обратный осмос: раствор побочных продуктов под очень высоким давлением пропускается сквозь специальную мембрану, задерживающую даже низкомолекулярные вещества (органические кислоты, сахара и соли) и пропускающую в основном воду.

Исследователи протестировали технологию на разных видах побочных продуктов. Оказалось, что таким образом можно переработать десятки кубометров отходов за один час. При этом получаемая на выходе вода содержит менее 0,02% сухого остатка. Это дает возможность прямо на месте возвращать ее в производственный цикл, за счет чего молочный завод может сократить потребление воды. Такая вода может использоваться и для питья.

«Установки обратного осмоса, давно используемые для концентрирования пищевых сред в промышленности, вполне пригодны для нашего процесса: в них входит комплект мембранных элементов со свернутыми в спирали мембранами общей площадью от нескольких десятков до нескольких сотен квадратных метров, — отметил В.А. Кравцов. — Жидкость проходит через обратноосмотическую мембрану под давлением более 10 атм, и в получаемом фильтрате практически отсутствуют вещества, которые были растворены в исходном сырье. Этот процесс протекает непрерывно, и его длительность ограничивается только объемом перерабатываемых отходов и ежесуточными профилактическими мойками».

Получаемая таким образом вода не требует дополнительной обработки — ее можно сразу же задействовать в производственных процессах. «С учетом небольшой добавленной ценности потоков, получаемых при переработке отходов (это уже не сливки и не высокобелковый концентрат), необходимость дополнительной обработки или доочистки поставила бы под вопрос экономическую целесообразность процесса. Поэтому речь идет об одностадийной фильтрации, в результате которой мы получаем воду, готовую к внутризаводскому использованию», — пояснил В.А. Кравцов.     

Жидкий минеральный концентрат, остающийся после фильтрации, исследователи предлагают использовать в качестве полезной пищевой добавки, заменяя им часть поваренной соли в составе продуктов, чтобы выровнять баланс между потребляемыми людьми калием и натрием. Ученые уже опробовали подход при изготовлении кисломолочного напитка айрана. Испытания показали, что минеральным концентратом можно заменить до половины соли в айране без заметного ухудшения вкусовых качеств. В перспективе такую добавку можно будет использовать и в составе других кисломолочных продуктов, в больших количествах содержащих соль.

Исследование было реализовано в рамках проекта Российского научного фонда (№ 25-26-00264) под руководством доктора технических наук, члена-корреспондента РАН Ивана Алексеевича Евдокимова. Результаты исследования ученые представили в журнале Food and Humanity.

Массовое внедрение подхода потребует учесть некоторые технические детали. В частности, из-за примесей в «молочной воде» при ее хранении на производствах нужно будет соблюдать определенные условия.

«Речь идет о контроле температуры при хранении и специальном графике мойки емкостного оборудования, — сказал В.А. Кравцов. — Это не столь существенно с точки зрения операционных затрат, но строго необходимо для обеспечения микробиологической безопасности воды, которая в следовых количествах содержит все низкомолекулярные компоненты молока и поэтому представляет собой потенциальный субстрат для развития микрофлоры».

Кроме того, при переработке молочных отходов в промышленных масштабах объем получаемого минерального концентрата может достигать десятков тонн в сутки. Поэтому, прежде чем внедрить технологию, нужно будет позаботиться о формировании стабильного рынка сбыта для продукции с этой добавкой.

«Мы поделились результатами с индустриальным партнером. Насколько мне известно, их площадка разливает воду молочного происхождения для розничной продажи и работает над другими продуктами на ее основе. Что касается молочного минерального концентрата как заменителя соли, то здесь сохраняется обширное поле для экспериментов с самыми разными продуктами. Но для практической реализации технологии важно, чтобы процесс изготовления нового продукта был совмещен с основным молочным производством. Это сильно сужает круг предприятий, где можно запустить подобный проект», — подчеркнул В.А. Кравцов. В будущем ученые рассматривают возможность разработки целой линейки продуктов, содержащих полученный минеральный концентрат. Это не только уже упомянутые кисломолочные продукты, но и, например, соусы и изотоники.

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источники

Комментарии В.А. Кравцова

«Наука.рф». Молочные отходы превратили в воду и полезные минералы 

Фото на превью и на главной странице: Олег Вечер / предоставлены пресс-службой СКФУ. 

Фото на странице: Олег Вечер / предоставлены пресс-службой СКФУ, Илья Хачатурян / пресс-служба СКФУ.