Состав, свойства и ценность молочной сыворотки

12-05-2014, 14:53

Всего, по примерным расчетам (исходя из ассортимента сыров, творога и казеинов) в мире насчитывается более 15000 видов молочной сыворотки. В нашей стране, видимо, речь идет о тысячах видов. На практике дело имеют обычно с двумя категориями молочных сывороток — сладкой и кислой. Они являются побочными продуктами сыроделия (сладкая сыворотка) или производства творога и казеина (кислая сыворотка). Степень перехода компонентов исходного молока-сырья в молочную сыворотку при традиционных способах получения белково-жировых продуктов — БЖП (коагуляция и синерезис) можно представить в виде диаграммы (рис. 1.5).

Анализируя диаграмму, следует обратить внимание, что в среднем в молочную сыворотку переходит около половины сухих веществ исходного молока, что дает основание для использования термина «полумолоко». Закономерности перехода компонентов молока пока не установлены, но совершенно очевидна взаимосвязь состояния и размеров компонентов (молекулярно-кинетическая теория). Состав молочной сыворотки колеблется в значительных пределах и зависит для подсырной — от вида вырабатываемого сыра и его жирности; творожной — от способа производства творога и его жирности; казеиновой — от вида вырабатываемого казеина. Распределение основных компонентов молока-сырья в процессе получения сыра показано в табл. 1.1.

Распределение основных компонентов исходного сырья при производстве творога из обезжиренного молока приведено в табл. 1.2.

Распределение основных компонентов молока-сырья при получении казеина аналогично творогу обезжиренному. В целом картина распределения по ассортиментным группам идентична. При производстве натуральных (жирных) сыров следует считаться с получением «жирной сыворотки», что требует специфической обработки — сепарирования.
Содержание идентифицированных (выборка) соединений в молочной сыворотке — усредненные данные, в сравнении с молоком, приведены в табл. 1.3.

В молочной сыворотке, как и в молоке, идентифицировано более 250 соединений и содержится около 100000 молекулярных структур, которые находятся в растворенном (наноуровень) и коллоидно-дисперсном (кластеры) состояниях, а также в виде суспензии (казеиновая пыль) и эмульсии (молочный жир).
Таким образом, с познавательной точки зрения молочная сыворотка — идеальная система для исследований сложно организованных объектов, синтезированных природой. С учетом наличия микробного пула и биологически синтезированной воды она может претендовать на универсальное сельскохозяйственное сырье, что было озвучено академиком Н.Н. Липатовым и взято в качестве девиза настоящей монографии.
По традиционной классификации и феноменологии, исходя из природы основных продуктов, молочную сыворотку принято разделять на сладкую, получаемую от производства натуральных сыров, и кислую — соответственно от творога и казеина. Содержание основных компонентов в сухом веществе (100 %) сладкой (подсырная) и кислой (творожная и казеиновая) молочной сыворотки показано ниже (рис. 1.6) в виде диаграмм. Там же показаны данные по ультрафильтрату и бесказеиновой фазе.

Из представленных диаграмм видно, что распределение примерно соответствует степени перехода основных компонентов в молочную сыворотку с учетом состава исходной смеси молочного сырья. Например, в казеиновой сыворотке практически отсутствует молочный жир. Основной объем сухих веществ молочной сыворотки занимает лактоза (около 70 %). На долю других компонентов (несахаров) приходится 30 %.
Дисперсная характеристика молочной сыворотки — размер (пределы колебаний) и занимаемый объем (средние показатели) отдельных компонентов приведен в табл. 1.4.

Обращает внимание, что основной объем занимают компоненты наноуровня (1 нм и менее), кластеры представлены практически только сывороточными белками, остаточным жиром и некоторыми фракциями казеина. Степень перехода основных компонентов исходного молока-сырья в молочную сыворотку зависит от способа ее получения и показана в табл. 1.5.

Нетрадиционные способы — мембранная фильтрация, термодинамическое разделение биополимерами позволяют извлечь полностью молочный жир и казеиновые комплексы.
Содержание основных компонентов в молочной сыворотке в сравнении с их содержанием в цельном и обезжиренном молоке, а также пахте показано в табл. 1.6 и графически представлено на рис. 1.7.

Традиционная молочная сыворотка содержит половину сухих веществ молока и до 70% лактозы, что позволяет считать ее углеводным сырьем, это реализовано широкомасштабно на практике при получении молочного сахара во всех странах с развитым молочным делом, в т. ч. имело место в России. К сожалению, при переходе к рыночной экономике в России завоеванные позиции были потеряны и ждут своего логического возрождения.
Молекулярно-ситовая фильтрация молочного сырья через полупроницаемые мембраны приводит к получению побочного продукта (фильтрата), состав которого практически идентичен молочной сыворотке.
Ультрафильтрация цельного молока обеспечивает переход в фильтрат (табл. 1.7) 45,1 % сухих веществ, в том числе 96% лактозы и 60% минеральных солей.

Аналогичные результаты дает ультрафильтрация обезжиренного молока (табл. 1.8).

Ультрафильтрация пахты (табл. 1.9) приводит к получению фильтрата, состав которого приближается к казеиновой сыворотке.

Новый способ концентрирования белков обезжиренного молока с использованием биополимеров, разработанный ВНИИКИМ совместно с Институтом элементоорганических соединений (ИНЭОС), приводит к получению бесказеиновой фазы. По опубликованным данным бесказеиновая фаза содержит, %: сухих веществ — 6,5%, белка — 0,9%, жира — нет, лактоза — 3,75%, минеральных веществ — 0,45% и приближается к составу казеиновой сыворотки. Специфичным является присутствие в бесказеиновой фазе полисахарида, например, пектина, с концентрацией на уровне 0,5 %.
Электрофизическая коагуляция белков молока обеспечивает разделение фаз с получением фильтрата следующего состава, %: сухих веществ 5,5—6,0 %; белка 0,8—1,0 %, жира 0,05—0,20 %, лактозы 4,5—5,0%, минеральных веществ 0,4—0,8%.
При производстве некоторых видов сыров часть сыворотки (около 30 %) получают соленой. Содержание поваренной соли в соленой сыворотке составляет 0,5—1,5 %, а иногда до 4 %, что отражается на ее составе. Состав и свойства подсырной сыворотки в зависимости от содержания в ней поваренной соли приведены в табл. 1.10.

Часть молочной сыворотки в процессе производства сыров и казеина разбавляют водой. При организации промышленной переработки молочной сыворотки, особенно соленой и разбавленной водой, следует учитывать колебания ее состава. В качественном удостоверении на соленую сыворотку, направляемую на реализацию, следует указывать фактическое содержание в ней поваренной соли. Кроме того, желательно на сопроводительной накладной ставить штамп «Сыворотка соленая». Подсырная соленая сыворотка с массовой долей поваренной соли более 0,5 % для переработки на молочный сахар не рекомендуется. При работе с солянокислотной казеиновой сывороткой не следует применять посуду из оцинкованной жести.
Содержание сухих веществ (массовая доля) в подсырной сыворотке можно прогнозировать расчетами по В. М. Силину. Следует отметить, что прогнозируемый и фактический состав сопоставим только при условии, если в сыворотке не будет поваренной соли, посторонней воды, а кислотность не превысит 20 °T.
Прогноз массовой доли сухих веществ в подсырной сыворотке (Sсыв) рассчитан, исходя из компонентного состава молока, по формуле:

где: Жсыв — массовая доля жира в сыворотке, %;
Жм — массовая доля жира в молоке, %;
Cм — массовая доля COMO в молоке, %.
Теоретически эта величина составляет:

Упрощенно это значение можно определить по плотности молочной сыворотки. Расчет по плотности проводят по формуле:

Эту расчетную формулу получили путем решения уравнения:

где 0,927; 1,7667 и 0,99823 — соответственно плотности молочного жира (Пж), веществ COMO сыворотки (Пс) и воды при 20 °С, г/см3;
Bсыв — массовая доля воды в сыворотке, %, равная разности 100 — Жсыв — Ссыв;
0,3; 5,903 и 93,797 — соответственно массовые доли жира, COMO и воды в 100 г сыворотки (два последний показателя определяются по составу исходного молока).
Плотность сыворотки можно также рассчитать по формуле:

При этом в обоих случаях расчетная плотность равна 1,02436 г/см3 (24,36°А).
Определение массовой доли сухих веществ в сыворотке по ее фактической плотности и массовой доле в ней жира (сыворотка несоленая, не разбавленная водой, кислотность 20 °Т), проводят по формулам:

Расчетная величина соответствует фактически сложившейся — 6,2%. Сопоставление прогнозируемых показателей подсырной сыворотки с фактическими позволяет установить причины снижения выхода сыра. Аналогичные процедуры возможны для творожной, казеиновой и, вероятно, других видов молочной сыворотки.
Структурно-механические характеристики, физико-химические свойства и некоторые другие показатели молочной сыворотки (средние данные) приведены в обобщенном виде ниже:

Эти показатели, в зависимости от вида молочной сыворотки, температуры и других параметров, изменяются. Так, например, показатели титруемой и активной кислотности могут варьировать больше, чем на порядок (видовой признак):

На практике следует учитывать, что разбавление молочной сыворотки водой естественно снижает кислотность, при этом изменяется плотность. Поэтому эти два показателя (наряду с температурой замерзания) могут служить критерием нативности (натуральности) молочной сыворотки (тест на фальсификацию).
Плотность при температуре 20 °С по видам сыворотки колеблется незначительно, кг/м3:

Изменение плотности и вязкости обезжиренной творожной сыворотки в зависимости от температуры показано на рис. 1.8.

Поверхностное натяжение молочной сыворотки примерно равно поверхностному натяжению цельного и обезжиренного молока и составляет при 20-45 °С (40,0-45,0) * 10в-3 Н/м, что на 30 % ниже поверхностного натяжения воды и обусловлено наличием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Кстати, этот показатель освещается далее более подробно, с учетом новых данных и рассуждений, специально в рамках биотермодинамической характеристики молочной сыворотки, как системы. Считается, что сывороточные белки в основном формируют поверхностное натяжение молочного сырья. Это необходимо учитывать при организации промышленной переработки молочной сыворотки (пенообразование), особенно при сгущении в вакуум-аппаратах.
Температура замерзания сыворотки (табл. 1.11) относительно постоянная величина (криоскопическая постоянная), изменяется главным образом от кислотности сыворотки и зависит от содержания сухих веществ.

Этот показатель может быть использован (как и для молока-сырья) для идентификации молочной сыворотки (оперативный контроль). Многолетний опыт использования криоскопов в СевКавГТУ показал широкие возможности применения данной методологии и аппаратурного оформления для определения качества молочной сыворотки и контроля практически всех операций по детерминации лактозы — гидролиз, изомеризация, трансгликозилирование и др.
Температура замерзания при разбавлении молочной сыворотки водой (табл. 1.12) значительно повышается.

Данный показатель может быть использован также для контроля посолки и разбавления водой.
Электропроводность молочной сыворотки исторически реализована для определения минерального комплекса молочной сыворотки.
Все вышеизложенное относится к так называемым традиционным видам молочной сыворотки из коровьего молока.
Нетрадиционные виды лактозосодержащего сырья (меласса молочного сахара, продукты мембранной технологии — микро-, ультра-, нанофильтраты и обратный осмос, депротеинизированная, деминерализованная, делактозированная сыворотки и др.) будут охарактеризованы по ходу рассмотрения конкретных технологий. Представляется целесообразным остановиться на относительно новых видах молочной сыворотки, приобретающих практическую значимость в нашей стране и за рубежом. Основные физико-химические показатели этого вида сырья показаны в табл. 1.13.
Так на основе частично деминерализованной сыворотки буйволиного молока (50 %-ный уровень деминерализации) на заводе Bhole Baba (Индия) получена сухая деминерализованная сыворотка, показатели качества которой приведены в табл. 1,14.

Используя имеющуюся в нашем распоряжении информацию, в табл. 1.15 приведен состав технологической фракции («сыворотки»), полученной при изготовлении белковых продуктов типа тофу из соевого молока и степень перехода компонентов смеси в соевую сыворотку.

Анализ состава новых видов сывороток показал, что они, так же как и молочная сыворотка коровьего молока, являются углеводным продуктом.
Рассмотрев состав и свойства молочной сыворотки, как биотехнологической системы, следует остановиться на ее ценностных показателях, в плане обоснования необходимости практического использования.
Энергетическую ценность молочной сыворотки в расчете на 100 г определяют по следующей формуле:
Е = (39 * Ж + 17 * Б + 16,7 * У)
где: E — энергетическая ценность, кДж
Ж, Б, У — содержание молочного жира, сывороточных белков и лактозы, %. Энергетическая ценность молочной сыворотки в сравнении с энергетической ценностью цельного и обезжиренного молока, а также пахты приведена в табл. 1.16.

Энергетическая ценность молочной сыворотки несколько ниже, чем обезжиренного молока, а биологическая — примерно та же, что и обусловливает целесообразность ее использования для производства пищевых продуктов диетического назначения.
Биологическая ценность молочной сыворотки по меткому выражению проф. К. С. Петровского может быть охарактеризована формулой: «минимум калорий при максимуме биологической ценности». Это позволяет рассматривать молочную сыворотку и продукты, полученные из нее, как биологически полноценные с диетическими и даже лечебными свойствами, обеспечивающими охрану внутренней среды организма. Именно поэтому в соответствии с TP и ГОСТами эти продукты должны быть отнесены к категории молочных и молокосодержащих.
Молочная сыворотка — биологически ценный продукт питания, особенно за счет значительного содержания лактозы. Замедленный, в сравнении с другими углеводами, гидролиз лактозы в кишечнике ограничивает процессы брожения, нормализует жизнедеятельность полезной микрофлоры и предупреждает аутоинтоксикацию. Сывороточные белки, которые являются важным компонентом молочной сыворотки, оптимально сбалансированы по аминокислотному набору, особенно серосодержащих аминокислот — цистина, метионина, что создает хорошие возможности для регенерации белков печени, гемоглобина и белков плазмы крови. Следует подчеркнуть особую ценность молочного жира — при небольшом содержании он более диспергирован, чем в цельном молоке. Минеральные соли сыворотки практически идентичны цельному молоку и содержат «защитные» комплексы антиатеросклеротического действия. Комплекс витаминов и ферментов, так же как биологически синтезированная вода, дополняют феномен биотехнологической системы молочной сыворотки.
Пищевая ценность молочной сыворотки характеризуется полным для продуктов питания набором: высокой доброкачественностью (безвредностью), достаточной калорийностью, хорошей усвояемостью, оптимальным соотношением питательных веществ, биологической и физиологической полноценностью. По органолептическим показателям подсырная сыворотка может быть отнесена к категории удовлетворительных (специфический привкус), а творожная сыворотка, особенно домашнего приготовления, — оптимальных, т. к. в нативном (парном) виде готова к употреблению.
По калорийности (энергетической ценности) молочная сыворотка составляет 36 % от цельного молока, что следует учитывать при организации промышленной переработки, рекламе и определении стоимости.
Усвояемость основных компонентов молочной сыворотки соответствует цельному молоку. За счет превалирования лактозы и сывороточных белков она превышает показатель 98 %.
Кормовая ценность. Молочная сыворотка относится к группе кормов животного происхождения и является незаменимым продуктом для питания молодняка, а также взрослых сельскохозяйственных животных (особенно свиней). Кормовая ценность молочной сыворотки и продуктов на ее основе в сравнении с растительными кормами представлена в табл. 1.17.

Кормовые достоинства молочных продуктов и кормов рассчитаны по калорийности. Фактически кормовая ценность молочных продуктов гораздо выше, так как они содержат полноценные белки животного происхождения, богатые аминокислотами, в том числе и незаменимые, а также полноценный минеральный и витаминный комплексы.
В теории кормления сельскохозяйственных животных проблема энергетического питания занимает центральное положение, т.к. обеспеченность животных энергией является одним из основных факторов, определяющих уровень их продуктивности. Энергетическая питательность кормов в обменной энергии определяется для каждого вида животных расчетным путем, с использованием данных прямых балансовых опытов по изучению переваримости питательных веществ кормов и рационов. Учеными Института кормления сельскохозяйственных животных им. О. Кельнера (Германия) разработана новая оценка питательности кормов, основанная на определении чистой энергии, выражаемой в энергетических кормовых единицах (ЭКЕ). За энергетическую кормовую единицу принято 10 МДж обменной энергии. 1 Дж равен 0,2388 кал, а 1 кал равна 4,1868 Дж.
В нашей стране также начался переход на новую систему нормирования питания и оценки питательности кормов. В 2003 году выпущено третье издание справочника «Нормы и рационы кормления сельскохозяйственных животных», в котором вместо показателя «кормовые единицы» используется энергетическая кормовая единица. Такая единица удобна для сельскохозяйственной практики, как при составлении рационов для животных, так и для учета производимых кормов в хозяйстве.
В табл. 1.18 приведены данные по обменной энергии (ОЭ) в энергетических кормовых единицах (ЭКЕ), как это принято в международной практике для молочных продуктов, используемых в кормопроизводстве.

Молочная сыворотка по своим питательным свойствам может быть приравнена к ячменю, в пересчете на сухие вещества. В 1 кг молочной сыворотки (творожной и подсырной) содержится 9 г переваримого протеина, 0,5 г кальция и 0,4 г фосфора. Уступая по питательной ценности другим видам вторичного молочного сырья (обезжиренному молоку и пахте), молочная сыворотка всем комплексом сухих веществ характеризуется как биологически полноценное сырье для кормопроизводства.
Эти связано с тем, что по биологической ценности сывороточные белки превосходят казеин. Содержание незаменимой серосодержащей аминокислоты цистина в глобулине в 7, а альбумине в 19 раз выше, чем в казеине. В альбумине и глобулине больше лизина, который играет определенную роль в защитных реакциях организма. Сывороточные белки служат дополнительным источником аргинина, гистидина, метионина, треонина, триптофана и лейцина. Это позволяет отнести их к полноценным белкам, используемым организмом для структурного обмена, в основном — регенерации белков печени, образования гемоглобина и плазмы крови. В сывороточных белках в сбалансированном соотношении содержатся незаменимые аминокислоты — фенилаланин и тирозин, обусловливая фармакологическое действие сыворотки.
Отличительной особенностью сывороточных белков является то, что при расщеплении их образуются пептиды и другие компоненты, которые непосредственно всасываются в кровь Увеличение содержания сывороточных белков в составе кормов способствует повышению биологической ценности и усвояемости протеиновой фракции корма, компенсирует снижение общего белка в корме.
Теоретический выход молочной сыворотки можно рассчитать по формуле:

где: Ксыв — количество молочной сыворотки, кг;
СВпр, CBс, CBсыв — содержание сухих веществ соответственно в готовом продукте, сырье и сыворотке, кг.
По расчетам выход молочной сыворотки при получении всех видов БЖП составляет около 90 % от количества исходного сырья.
Практически для расчетов рекомендуются следующие нормы выхода (с учетом предельно допустимых потерь) молочной сыворотки в зависимости от вида вырабатываемого продукта, % от перерабатываемого сырья:
Натуральные сыры — 80
Обезжиренные и низкожирные сыры — 65
Брынза — 65
Творог — 80
Казеин — 75
На современных молочных заводах, особенно с «сухим режимом» содержания полов, за счет устройств специальных систем сбора выход молочной сыворотки близок к теоретическому.
Оценивая молочную сыворотку в целом, следует подчеркнуть ее значимость как «полумолока» и отнести к лактозосодержащему сырью. При этом каждое составляющее молочную сыворотку соединение (вещество, компонент) заслуживает специального рассмотрения.