Цель

Рассмотрение диафильтрации как процесса мембранной технологии (МТ) для молекулярно-ситового разделения концентратов молочной сыворотки.

Обсуждение

Диафильтрация обеспечивает получение деминерализованной молочной сыворотки, изолятов сывороточного белка и высококачественной лактозы. Процесс истинной диафильтрации пока практически малоизвестен и не масштабирован в молочной отрасли пищевой индустрии АПК. Он не нашел своего места в систематологии мембранных технологий. Теоретически диафильтрация может быть реализована в Технологической Платформе производства концентратов сывороточных белков (80% и изоляты), деминерализованной сыворотки (уровень 50%) и высококачественной лактозы (пищевая и фармакопейная). В молочной промышленности России в настоящее время диафильтрация используется на практике эпизодически. Диафильтрация специфична для вида каждого концентрата (ретентата) – микрофильтрата, ультрафильтрата, нанофильтрата и даже обратного осмоса, а также концентрированной традиционными способами (выпаривание) молочной сыворотки. Например, диафильтрация нанофильтрата с разбавлением «чистой водой» НФ концентрата (реверс обратного осмоса) снижает зольность до 50% с удалением части органических кислот и низкомолекулярного азота. Диафильтрация достаточно широко масштабирована в молочной промышленности мира при получении белковых концентратов из молочной сыворотки – КСБ 80 и 90%.

Заключение

Диафильтрация должна рассматриваться как дополнительный пакет к микрофильтрации, ультрафильтрации и особенно (идеал) нанофильтрации для направленного и управляемого регулирования содержания низкомолекулярных соединений в концентратах (ретентатах) МТ (минералы, азотсодержащие и кислоты), при необходимости для готовой продукции.

---

Aim

Consideration of diafiltration as a membrane technology (MT) process for molecular-sieve separation of whey concentrates.

Discussion

Diafiltration provides the production of demineralized whey, whey protein isolates and high-quality lactose. The process of true diafiltration is still almost unknown and is not scaled up in the dairy industry of the food industry of the agro-industrial complex. It has not found its place in the systematology of membrane technologies. Theoretically, diafiltration can be implemented in a Technological Platform for the production of whey protein concentrates (80% and isolates), demineralized whey (50% level) and high-quality lactose (food and pharmacopoeia). In the Russian dairy industry, diafiltration is currently used in practice sporadically. Diafiltration is specific to the type of each concentrate (retentate) – microfiltrate, ultrafiltrate, nanofiltrate and even reverse osmosis, as well as concentrated by traditional methods (evaporation) of whey. For example, diafiltration of nanofiltrate with dilution with "pure water" of NF concentrate (reverse osmosis) reduces ash content by up to 50% with the removal of some organic acids and low molecular nitrogen. Diafiltration is quite widely scaled in the dairy industry of the world in the production of protein concentrates from whey – CSB 80 and 90%.

Conclusion

Diafiltration should be considered as a complementary package to microfiltration, ul-trafiltration and especially (ideal) nanofiltration for targeted and controlled control of the content of low molecular weight compounds in concentrates (retentates) MT (minerals, nitrogenous and acids), if necessary for finished products.

А. Г. Храмцов

Северо-Кавказский федеральный университет 355009, Россия, Ставрополь, ул. Пушкина, д. 1

 

Храмцов Андрей Георгиевич, доктор технических наук, профессор, академик РАН, профессор-консультант кафедры прикладной биотехнологии

E-mail: akhramtcov@ncfu.ru; тел.: 89624477823

---

 

About the Authors

A. G. Khramtsov

North-Caucasus Federal University 1, Pushkin st., Stavropol, 355009, Russian Federation

 

Andrey G. Khramtsov, Dr Technical Sci., Professor, Academician of RAS and Professor-consultant of the Department of Applied Biotechnology

E-mail: akhramtcov@ncfu.ru; tel.: +79624477823

 

1. Липатов Н.Н., Марьин В.А., Фетисов Е.А. Мембранные методы разделения молока и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. 168 с.

2. Тамим А.И. Мембранные технологии в производстве напитков и молочных продуктов. СПб.: Профессия, 2016. 420 с.

3. Гаврилов Г.Б., Просеков А.Ю., Кравченко Э.Ф., Гаврилов Б.Г. Справочник по переработке молочной сыворотки. Технологии, процессы и аппараты, мембранное оборудование. СПб: ИД Профессия, 2015. 176 с.

4. Синельников Б.М., Храмцов А.Г., Евдокимов И.А., Рябцева С.А., Серов А.В. Лактоза и её производные. СПб.: Профессия, 2011. 768 с.

5. Храмцов А.Г. Феномен молочной сыворотки. СПб.: Профессия, 2011. 804 с.

6. Храмцов А.Г. Новации молочной сыворотки. СПб.: Профессия, 2016. 490 с.

7. Храмцов А.Г. Инновационные технологии промышленной переработки и ис-пользования молочной сыворотки. Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2014. 147 с.

8. Соколова А.С. Применение мембранных методов для получения инновационных продуктов с высокой добавленной стоимостью // Переработка молока. 2020. № 5. С. 56-61.

9. Харитонов В.Д. Глубокая переработка молочного сырья и вторичных ресурсов // Молочная промышленность. 2018. № 6. С. 30-31.

10. Володин Д.Н., Золоторёва М.С., Костюк А.В., Топалов В.К., Евдокимов И.А., Чаблин Б.В., Гридин А.С. Использование сывороточных ингредиентов в производстве продуктов питания // Молочная промышленность. 2017. № 2. С. 65-67.

11. Золоторёва М.С., Володин Д.Н., Евдокимов И.А., Харитонов В.Д. Мембранные технологии для обеспечения эффективности и безопасности молочного производства // Молочная промышленность. 2018. № 5. С. 36-39.

12. Володин Д.Н., Гридин А.С., Евдокимов И.А. Перспективы производства сухих белковых ингредиентов на основе сухого молочного сырья // Молочная промышленность. 2020. № 1. С. 28-30.

13. Пономарёв А.Н., Мельникова Е.И., Богданова Е.В. Молочная сыворотка как сырьевой ресурс для производства пищевых ингредиентов // Молочная промышленность. 2018. № 7. С. 38-39.

14. Мельникова Е.И., Богданова Е.В., Павельева Д.А. Мировой и российский рынок сывороточных ингредиентов // Молочная промышленность. 2020. № 8. С. 56-58.

15. Лялин В.А., Михеев М.С. Мембранные технологии для повышения эффективности переработки молока // Молочная промышленность. 2018. № 1. С. 36.

16. Зябрев А.Ф. Производство сухого концентрата сывороточных белков // Пере-работка молока. 2008. № 7. С. 40-42.

17. Смирнов В.Б., Царьков С.Е., Сидоркин И.А. Мембранные методы в молочной промышленности. Ч. 1. Пилотные испытания, как часть проектирования промышленных систем // Молочная промышленность. 2019. № 5. С. 52-53.

18. Chandrapala J., Duke M.C., Gray S.R., Weeks M., Palmer M., Vasiljevic T. Nano-filtration and nanodiafiltration of acid whey as a function of pH and temperature // Separation and Purification Technology. 2016. Vol. 160. P. 18-27. https://doi.org/ 10.1016/j.seppur.2015.12.046.

19. Sofia Ramos Cabral, Beatriz Monjardino de Brito de Azevedo, Miguel Pereira da Silva, Ana Sofia Figueiredo, Antуnio Pedro Louro Martins, Maria Norberta de Pinho Optimization of cheese whey ultrafltration / diafltration for the production of beverage liquid protein concentrates with lactose partially removed // Journal of Membrane Sci-ence and Research. 2019. № 5. P. 172-177. https://doi.org/10.22079/JMSR.2018.92367.1208.

20. Sama A. Al-Mutwalli, Mehmet Dilaver, Derya Y. Koseoglu-Imer Performance evaluation of ceramic membrane on ultrafiltration and diafiltration modes for efficient recovery of whey protein // Journal of Membrane Science and Research. 2020. № 6. P. 138-146. https://doi.org/10.22079/JMSR.2019.115152.1295.

21. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Технология продуктов из молочной сыворот-ки. М.: ДеЛиПринт, 2004. 587 с.

22. Храмцов А.Г., Сергеев В.Н. Технологический прорыв аграрно-пищевых инно-ваций молочного дела на примере универсального сельхоз сырья. Нанофиль-трация // Аграрно-пищевые инновации. 2020. Т. 12, № 4. С. 7-19. https://doi.org/10.31208/2618-7353-2020-12-7-19.

23. Гордиенко М.Г., Баурин Д.В., Кареткин Б.А., Шакир И.В., Панфилов В.И. Статистическая обработка результатов пассивного и активного эксперимента в био-технологии. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. 108 с.

24. Дёмин И., Шальк Г. Пять шагов к полной прослеживаемости продукции // Молочная промышленность. 2018. № 2. С. 22-23.

25. Жидков В.Е., Горностаева Ж.В., Чернышева Ю.С. и др. Теоретические и ме-тодологические основы качества и безопасности продовольственных товаров. Ставрополь: Сервисшкола, 2019. 108 с.

26. Кролл Я. Микрофильтрация для подготовки сыворотки к мембранной обра-ботке // Молочная промышленность. 2021. № 1. С. 39.

27. Храмцов А.Г. Технологический прорыв аграрно-пищевых инноваций молоч-ного дела на примере универсального сельхоз сырья. Ультрафильтрация // Аграрно-пищевые инновации. 2020. Т. 11, № 3. С. 7-22. https://doi.org/10.31208/2618-7353-2020-11-7-22.

28. Золотарёва М.С., Топалов В.К. Мембранные процессы в технологии перера-ботки сыворотки // Переработка молока. 2014. № 4. С. 10-12.

29. Евдокимов И.А., Бабенышев С.П.Баромембранное разделение жидких поли-дисперсных систем. Ставрополь: СевКавГТУ, 2007. 123 с.

30. Храмцов А.Г. Только вперёд! К 65-летию профессора Ивана Алексеевича Евдокимова. Ставрополь, 2020. 217 с.

31. Talebi S., Suarez F., Chen G. Q., Chen X., Bathurst K., Kentish S.E. A pilot study on the removal of lactic acid and minerals from acid whey using membrane technolo-gy // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b06561.

32. Pan K., Song Q., Wang L., Cao B. A study of demineralization of whey by nanofiltration membrane // Desalination. 2011. Vol. 267. P. 217-221. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.09.029.

33. Козлов Н.С. Молочные белки как универсальный ингредиент // Молочная промышленность. 2021. № 1. С. 27.

34. Анисимов Г.С., Ахмедова В.Р., Богоровская М.А., Рябцева С.А., Лодыгин А.Д., Баранов С.А. Микробиологические показатели белковых концентратов // Молочная промышленность. 2021. № 1. С. 40-43. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2021-01-40-43.

35. Carunchia Whetstine M.E., Croissant A.E., Drake M.A. Characterization of dried whey protein concentrate and isolate flavor // Journal of Dairy Science. 2005. Vol. 88. № 11. P. 3826-3839.

36. Школа С.С., Дыкало Н.Я., Анисимов Г.С., Евдокимов И.А., Кравцов В.А., Ахмедова В.Р., Мартак А.А., Метель В.С. Способ производства молочного сахара // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». 2020. Бюл. № 31. 3 с.

37. Тимкин В.А., Мазина О.А., Пищиков Г.Б. Разработка нанобиомембранной технологии производства лактозы как фактор производственной безопасности // Известия Уральского государственного экономического университета. 2014. № 3 (53). С. 97- 102.

38. Сорен Ноёр Бак Эффективное повторное использование «молочной» воды – опыт одного года // Молочная промышленность. 2018. № 2. С. 28-29.

References

1. Lipatov N.N., Maryin V.A., Fetisov E.A. Membrane methods for separating milk and milk products. Moscow: Food Industry Publ.; 1976. 168 p. (In Russ.).

2. Tamim A.I. Membrane technologies in the production of beverages and dairy products. St. Petersburg: Profession Publ.; 2016. 420 p. (In Russ.).

3. Gavrilov G.B., Prosekov A.Yu., Kravchenko E.F., Gavrilov B.G. Handbook of whey processing. Technologies, processes and devices, membrane equipment. St. Peters-burg: Profession Publ.; 2015. 176 p. (In Russ.).

4. Sinelnikov B.M., Khramtsov A.G., Evdokimov I.A., Ryabtseva S.A., Serov A.V. Lactose and its derivatives. St. Petersburg: Profession Publ.; 2011. 768 p. (In Russ.).

5. Khramtsov A.G. Whey phenomenon. St. Petersburg: Profession Publ.; 2011. 804 p. (In Russ.).

6. Khramtsov A.G. Whey innovations. St. Petersburg: Profession Publ.; 2016. 490 p. (In Russ.).

7. Khramtsov A.G. Innovative technologies for industrial processing and use of whey. Stavropol: SKFU Publ.; 2014. 147 p. (In Russ.).

8. Sokolova A.S. Application of membrane methods to obtain innovative products with high added value. Pererabotka moloka = Milk processing. 2020;(5):56-61. (In Russ.).

9. Haritonov V.D. Deep processing of raw milk materials and secondary resources. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2018;(6):30-31. (In Russ.).

10. Volodin D.N., Zolotareva M.S., Kostyuk A.V., Topalov V.K., Evdokimov L.A., Chablin B.V., Gridin A.S. Application of whey ingredients in foods production. Mo-lochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2017;(2):65-67. (In Russ.).

11. Zolotareva M.S., Volodin D.N., Evdokimov E.A., Haritonov V.D. Membrane tech-nologies for ensuring efficiency and safety of milk processing. Molochnaya promysh-lennost' = Dairy industry. 2018;(5):36-39. (In Russ.).

12. Volodin D.N., Gridin A.S., Evdokimov I.A. Prospects of the production of dry pro-tein ingredients based on the milk raw materials. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2020;(1):28-30. (In Russ.).

13. Ponomarev A.N., Melnikova E.I., Bogdanova E.V. Milk whey as a raw material for the production of food ingredients. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2018;(7):38-39. (In Russ).

14. Melnikova E.I., Bogdanova E.V., Paveleva D.A. The world and Russian market of whey ingredients. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2020;(8):56-58. (In Russ.).

15. Lyalin V.F., Mikheev M.S. Membrane technology to improve the efficiency of milk processing. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2018;(1):36. (In Russ.).

16. Zyabrev A.F. Production of dry concentrate of whey proteins. Pererabotka moloka = Milk processing. 2008;(7):40-42. (In Russ.).

17. Smirnov V.B., Tsar'kov S.E., Sidorkin I.A. Membrane methods in the dairy indus-try. The part 1. Pilot trials as a part of the industrial systems design. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2019;(5):52-53. (In Russ.).

18. Chandrapala J., Duke M.C., Gray S.R., Weeks M., Palmer M., Vasiljevic T. Nano-filtration and nanodiafiltration of acid whey as a function of pH and temperature. Separation and Purification Technology. 2016;(160):18-27. https://doi.org/ 10.1016/j.seppur.2015.12.046.

19. Sofia Ramos Cabral, Beatriz Monjardino de Brito de Azevedo, Miguel Pereira da Silva, Ana Sofia Figueiredo, Antуnio Pedro Louro Martins, Maria Norberta de Pinho Optimization of cheese whey ultrafltration/diafltration for the production of beverage liquid protein concentrates with lactose partially removed. Journal of Membrane Science and Research. 2019;(5):172-177. https://doi.org/ 10.22079/JMSR.2018.92367.1208.

20. Sama A. Al-Mutwalli, Mehmet Dilaver, Derya Y. Koseoglu-Imer Performance evaluation of ceramic membrane on ultrafiltration and diafiltration modes for efficient recovery of whey protein. Journal of Membrane Science and Research. 2020;(6):138-146. https://doi.org/10.22079/JMSR.2019.115152.1295.

21. Khramtsov A.G., Nesterenko P.G. Technology of whey products. M.: DeLiPrint Publ.; 2004. 587 p. (In Russ.).

22. Khramtsov A.G., Sergeev V.N. Technological breakthrough of the agrarian-and-food innovations in dairy case for example of universal agricultural raw materials. Nanofiltration. Agrarno-pishchevye innovacii = Agrarian-and-food innovations. 2020;4(12):7-19. (In Russ.) https://doi.org/10.31208/2618-7353-2020-12-7-19.

23. Gordienko M.G., Baurin D.V., Karetkin B.A., Shakir I.V., Panfilov V.I. Statistical processing of results of passive and active experiments in biotechnology. Moscow: D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Publ.; 2015. 108 p. (In Russ.).

24. Demin I., Schalk G. Five steps towards complete traceability of the products. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2018;(2):22-23.

25. Zhidkov, V.E., Gornostaeva Z.V., Chernysheva Y.S. et al. Theoretical and methodological bases of quality and safety of food products. Stavropol: Service school Publ.; 2019. 108 p. (In Russ.).

26. Kroll J. Microfiltration to prepare whey for membrane treatment. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2021;(1):39. (In Russ.).

27. Khramtsov A.G. Technological breakthrough of the agrarian-and-food innovations in dairy case for example of universal agricultural raw materials. Ultrafiltration. Agrarno-pishchevye innovacii = Agrarian-and-food innovations. 2020;3(11):7-22. (In Russ.) https://doi.org/10.31208/2618-7353-2020-11-7-22.

28. Zolotoryova M.S., Topalov M.S. Membrane processes in whey processing tech-nology. Pererabotka moloka = Milk processing. 2014;(5):10-12. (In Russ.).

29. Evdokimov I.A., Babenyshev S.P. Baromembrane separation of liquid polydis-perse systems. Stavropol: North-Caucasus STU Publ.; 2007. 123 p. (In Russ.).

30. Khramtsov A.G. Only forward! To the 65th anniversary of Professor Ivan Alekseevich Evdokimov. Stavropol, 2020. 217 p. (In Russ.).

31. Talebi S., Suarez F., Chen G. Q., Chen X., Bathurst K., Kentish S.E. A pilot study on the removal of lactic acid and minerals from acid whey using membrane technolo-gy. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2020. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b06561.

32. Pan K., Song Q., Wang L., Cao B. A study of demineralization of whey by nanofiltration membrane. Desalination. 2011;(267):217-221. https://doi.org/10.1016/j.desal.2010.09.029.

33. Kozlov N.S. Milk proteins as a versatile ingredient. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2021;(1):27. (In Russ.).

34. Anisimov G.S., Akhmedova V.R., Bogorovskaya M.A., Ryabtseva S.A., Lodygin A.D., Baranov S.A. Microbiological parameters of protein concentrates Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2021;(1):40-43. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2021-01-40-43.

35. Carunchia Whetstine M.E., Croissant A.E., Drake M.A. Characterization of dried whey protein concentrate and isolate flavor. Journal of Dairy Science. 2005;88(11):3826-3839.

36. Shkola S.S., Dykalo N.Ya., Anisimov G.S., Evdokimov I.A., Kravtsov V.A., Akhmedova V.R., Martak A.A., Metel V.S. Milk sugar production method. Patent RF. 2020. Bulletin no. 31. 3 p. (In Russ.).

37. Timkin V.A., Mazina O.A., Pishchikov G.B. Developing the nanobio-membrane lactose manufacturing technology as a factor of food security. Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo ekonomicheskogo universiteta = Bulletin of the Ural State University of Economics. 2014;53(3):97-102. (In Russ.).

38. Soren Nohr Bak Efficiency of the "milk" water reusing – one year experience. Molochnaya promyshlennost' = Dairy industry. 2018;(2):28-29. (In Russ.).