Биологическая обработка молочной сыворотки повышает ее питательную ценность за счет обогащения полезными веществами, а также получения ряда специфических продуктов. Основные направления биологической обработки: синтез белковых веществ дрожжами, использующими для роста и развития лактозу; гидролиз лактозы протеолитическими ферментами до более сладких моноз; микробный синтез витаминов, жира, ферментов и антибио­тиков; переработка лактозы в молочную кислоту и этиловый спирт; расщепление молочных белков до свободных аминокислот.

Обработка бактериями

Использование микроорганизмов один из основных методов обработки молочного сырья, в том числе и молочной сыворотки. На этом методе основано производство широкого ассортимента продуктов и полуфабри­катов для пищевых (напитки из сыворотки, сыворотка сгущенная сброженная для хлебопекарной и кондитерской промышленности), кормовых (сыворотка обогащенная, закваски для силосо­вания кормов, био-ЗЦМ) и технических (этиловый спирт, молоч­ная кислота, столовый уксус, лизин и др.) целей. Для этого в молочную сыворотку после ее соответствующей предварительной обработки вносят различные закваски, которые готовят на чистых культурах определенных видов микроорганизмов (молочнокислых, уксуснокислых бактерий, дрожжей).

В результате молочнокислого брожения происходит расщепление лактозы до глюкозы и галактозы и далее до молочной кислоты:

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О = 4СН₃СНОНСООН

лактоза                 молочная кислота

Параллельно с молочнокислым брожением, как правило, про­текают побочные процессы, которые обусловливают накопление продуктов распада лактозы — летучих кислот, спиртов, диацетила. Брожение прекращается самопроизвольно, когда микроорганизмы расщепляют лишь часть (около 20%) лактозы, поскольку образующаяся молочная кислота губительно действует на их развитие.

Гидролиз лактозы до молочной кислоты может осуществляться двумя физиологическими группами микроорганизмов: гетероферментативными и гомоферментативными. Более желательно гомоферментативное брожение, так как при этом лактоза почти полностью превращается в молочную кислоту и при этом не образуются побочные продукты (диацетил, спирт, углекислый газ).

Практическое применение в этих целях нашли Str. lactis, L. bulgaricum, H. acidophilum, а также симбиотические закваски с добавлением дрожжей. Перспективным является использование L. bifidum. При этом до 90 % лактозы может быть превращено в молочную кислоту, продолжительность сбраживания составляет от нескольких часов до 10 сут.

В целях интенсификации процесса брожения используют комбинацию штаммов бактерий (до8) с добавкой к сыворотке 0,2% ростового солода. С этой же целью проводят сквашивание молочной сыворотки различными культурами микроорганизмов с последующим смешиванием обогащенных концентратов.

На этой основе разработана технология белково-углеводного кон­центрата из подсырной сыворотки для обогащения пищевых продуктов (хлеб, кондитерские изделия, плавленые сыры).

Анализ микрофлоры подсырной сыворотки, получаемой на сыро­дельных заводах, показал необходимость ее пастеризации перед ферментацией по одному из следующих режимов: 63-65 ^оС с выдержкой 30 мин или 70-72 °С с выдержкой 15 с. Повышение температуры пастеризации сыворотки выше 75 °С нежелательно, так как это приводит денатурации белков. Сравнительные испытания кислотообразования в натуральной сыворотке, содержащей хлопья денатурированного белка и осветленной сыворотке, показали явное преимущество первой как среды для жизнедеятельности бактерий.

Использование в качестве культуры для сбраживания молочной сыворотки ацидофильной палочки имеет следующие преимущества: гомоферментативность; незначительный бактериофаг или отсутствие его; образование активной молочной кислоты, ингибирующей постороннюю микрофлору; устойчивость к действию неспецифических веществ; биологическая ценность.

Для повышения активности ацидофильной палочки при ее культивировании в подсырной сыворотке разработан оригинальный метод, исключающий образование диацетила и обеспечивающий повышение кислотности сыворотки за 24 ч до 200 ^оТ.

Динамика накопления молочной кислоты, изменение рН н количества бакте­рий в процессе сбраживания подсырной сыворотки ацидофильной палочкой (5 % закваски) показаны на рис. 2.35.

Наибольшее количество бактерий наблюдается через 19-20 ч культивирования. Последующее снижение объясняется ингибированием их развития за счет высокой кислотности, однако это не влияет на кислотообразование. Активная кислотность среды снижается по мере увеличения титруемой кислотности.

Рисунок 2.35.

   Рисунок 2.35. - Динамика накопления молочной кислоты (1), изменения рН (2) и коли­чества бактерий (S) в процессе сбраживания подсырной сыворотки ацидофильной палочкой.

Например, производство белково-углеводного концентрата (БУК) осуществляется в следующей последовательности.

Свежую, несоленую и неразбавленную водой подсырную сыворотку кислотностью не выше 20^оТ пастеризуют при 65°С с выдержкой 30 мин или при 72°С с выдержкой 15с. В результате пастеризации уничтожается большая часть микрофлоры сыворотки, которая является в данном случае посторонней, и улучшаются органолептические показатели сыворотки вследствие удаления посторонних специфических запахов. Кроме того, происходит частичный гидролиз (или разрыхление) белка, что улучшает условия культивирования бактерий.

Сыворотку, охлажденную до 42 — 45 °С, заквашивают ацидофильной палочкой, приготовленной на обезжиренном молоке общепринятым методом. Количество вносимой закваски должно составлять около 3 %. Сыворотку сбраживают в течение 6 ч до кислотности 60-80 °Т.

В результате инактивации посторонней микрофлоры и создания оптимальных условий для развития ацидофильной палочки лактоза трансформируется главным образом в молочную кислоту, улучшаются вкус и запах сыворотки. Окончание сбраживания лактозы определяют по кислотности сыворотки.

Сброженную сыворотку сгущают в вакуум-аппарате при 50 — 65 °С, что исключает карамелизацию лактозы. Из сыворотки в процессе сгуще­ния удаляются посторонние запахи. Сгущение заканчивают при концен­трации сухих веществ 40 или 60 %. Сгущенную сброженную сыворотку охлаждают до 8— 10 °С и хранят до употребления.

Изменение состава и свойств подсырной сыворотки в процессе обработки по первому способу приведено в табл. 2.19.

  Таблица 2.19.

Изменение общего количества микроорганизмов (в 1 мл 10³) в процессе производства БУК показано ниже.

Сыворотка
исходная	780 109,5
пастеризованная	0,4 0,05
сброженная	12000 1000
В процессе сгущения до содержания сухих веществ, %
10	0,8 0,2
30	0,41 0,11
42	0,3 0,08
БУК	0,31 0,08

При хранении в течение месяца в нерегулируемых условиях (20— 25°С) количество микрофлоры в БУК снизилось до 0,02· 10³ в 1 мл, что объясняется его повышенной кислотностью и концентрацией сухих веществ.

Производство БУК возможно и при использовании подсгущеной до массовой доли сухих веществ 11-12% сыворотки.

  Сгущение сквашенной молочной сыворотки в вакуум-аппаратах при температуре не выше 70 °С позво­ляет получать концентраты с содержанием 30% сухих веществ и кислот­ностью 800-1000 °Т. В сгущенной сыворотке содержится до 15% молочной кислоты, что обеспечивает ее стерильность и сохранение исходного качества более года, биологическая ценность сыворотки возрастает за счет увеличения содержания витаминов, особенно группы В (В₂ в 2 раза, В₆ в 200 раз), и свободных аминокислот, общее количество которых возрастает в 2,8-3,3 раза и достигает в сквашенной сыво­ротке 330 — 370 мг%. Количество глицина увеличивается в 65 — 80 раз, аланина в 9—11, лейцина в 4, пролина в 2 раза.

Сгущенная сквашенная молочная сыворотка (ССМС) используется для получения Диетических продуктов, ускорения технологических процессов, замены лимонной, уксусной кислот. Представляет интерес использование ССМС для соления огурцов и квашения капусты, в производстве конфет и печенья, а также приготовления инвертного сахара.

На основе комплексного подхода к проблеме биологического обогащения молочной сыворотки разработана технология оригинального концентрата КОМС, который может быть широко использован производстве пищевых продуктов и косметических средств.

При внесении в молочную сыворотку вместе с молочнокислой закваской дрожжей происходит спиртовое брожение, которое в общем виде можно представить следующим уравнением:

С₁₂Н₂₂0₁₁+Н₂0 = 4СНзСН2ОН+4С0₂.

       лактоза             этиловый спирт углекислота

Если протекают другие виды брожения (маслянокислое, уксуснокислое, пропионовокислое), то они вызывают пороки продукта.

Закваска — основная часть первичной микрофлоры кисломо­лочных продуктов. Закваску производят в специализированных лабораториях. В настоящее время разработаны прогрессивные методы непрерывного культивирования молочнокислых бактерий с целью накапливания биомассы для приготовления концентрированных заквасок.

Технологические процессы производства кисломолочных про­дуктов на основе молочной сыворотки включают: подготовку сырья; очистку, сепарирование; нормализацию; пастеризацию; ох­лаждение; заквашивание; сквашивание; охлаждение в резервуа­рах или в потоке; расфасовку; хранение.

Для приготовления некоторых напитков на основе сыворот­ки применяют обезжиренное молоко. Сыворотку можно исполь­зовать как в натуральном, так и в подсгущенном виде. Сыворо­точные концентраты или сывороточные белки можно применять и при производстве некоторых других кисломолочных напитков. Сывороточные концентраты ускоряют процесс сквашивания, улуч­шают питательную ценность, органолептические и диетические свойства.

В ФРГ запатентован способ производства кисломолочных про­дуктов (йогурта и смешанных напитков) с использованием кон­центрата молочной сыворотки с массовой долей сухих веществ 40% в количестве 4% объема смеси. В Италии для обогащения йогурта белками и аминокислотами к молоку добавляют сыворо­точные белки в количестве 17—23% и более. В Норвегии при вы­работке сквашенных напитков из обезжиренного молока их обо­гащают сывороточными белковыми концентратами, полученными методом ультрафильтрации, которые вносят в молоко перед за­квашиванием. В Польше с использованием смеси концентриро­ванных с помощью ультрафильтрации обезжиренного молока и молочной сыворотки вырабатывают йогурт и кефир. В СССР разработан диетический кисломолочный напиток «Майский», изго­тавливаемый из смеси равных объемов обезжиренного молока и концентрата молочной сыворотки с массовой долей сухих веществ 13—15%.

На принципе сбраживания лактозы молочной сыворотки молочнокислыми микроорганизмами может быть организованно производство молочной кислоты.

 Молочную кислоту можно производить из любого вида молочной сыворотки (подсырной, творожной, казеиновой). Технология производства молочной кислоты включает приготовление затора и закваски, сбраживание сыворотки, нейтрализацию, разложение лактата кальция, очистку и фильтрацию, отстой и декантацию молочной кислоты.

Молочную сыворотку сгущают в 2—2,5 раза для того, чтобы содержание молочного сахара возросло до 10—12%. После па­стеризации и охлаждения до 45°С затор засевают специальными видами молочнокислых бактерий, сбраживающих лактозу. Образующаяся в результате брожения молочная кислота периодически нейтрализуется известью или мелом, в результате чего получается лактат кальция:

2CH₃CHOHCOOH+CaCO₃ = Са (С₃Н₅О₃) + Н₂О+СО₂.

    молочная кислота       мел   кальция лактат      углекислота

На нейтрализацию 180 массовых частей молочной кислоты требуется 100 массовых частей химически чистого мела. Процесс сбраживания длится 2—2,5 суток. Сброженную сыворотку нейтрализуют известью, фильтруют и сгущают в 2—5 раз в зависимости от необходимой концентрации молочной кислоты (10—45%), после чего добавляют серную кислоту для разложения лактата кальция и выделения молочной кислоты:

Ca(C₃H₅0₃)+H₂SO₄ = 2CH₃CHOHCOOH+CaS0₄.

                     кальция лактат серная молочная кислота      гипс

                                                 кислота

На 218 весовых частей лактата кальция идет 98 весовых ча­стей моногидрата серной кислоты. Процесс ведут при температуре 40—45 °С. Затем молочную кислоту очищают активированным углем и фильтруют от гипса и активированного угля на спе­циальном фильтре под вакуумом.

Получение этилового спирта из молочной сыворотки основано на сбраживании лактозы сыворотки специальными видами дрожжей до спирта и углекислоты:

С₁₂Н₂₂О₁₁+Н₂О  СН₃СН₂ОН+4СО₂.

         лактоза                  спирт этиловый углекислота

Считается, что на спирт расходуется до 95% молочного сахара, а 5% идет на образование массы дрожжевых клеток и побочных продуктов спиртового брожения. Суть технологии состоит в том, что исходную молочную сыворотку очищают от белков, вносят дрожжи и ведут процесс брожения при 33—34°С в течение 48—72 ч. Затем дрожжи отделяют от бражки (например, методом центрифугирования), а последнюю подвергают дистилляции. Выход спирта в условиях промышленного производства составляет 84%.

Побочными продуктами процесса получения спирта являются сывороточные белки, которые могут использоваться на пищевые цели, а также послеспиртовая бражка, которая может использоваться на корм сельскохозяйственным животным.

Наряду с многими направлениями промышленного использо­вания этилового спирта он может быть применен и в качестве сырья для производства столового уксуса.

Производство обогащенной молочной сыворотки (кормовой добавки, использующейся для профилактики заболеваний желудочно-кишечного тракта молодняка) основано на ее сквашивании 3% закваски ацидофильной палочки (штамм 126), приготовлен­ной на обезжиренном молоке. Культивирование указанной заквасочной культуры в сыворотке проводится в ферментерах 4—6 ч до кислотности 60—90 °Т. В течение этого времени в сыворотке идет интенсивный рост биомассы молочнокислых бактерий, увеличивается количество их метаболитов и других биологически активных веществ, повышающих ее антагонистическую активность. Положительное действие обогащенной сыворотки на рост и развитие животных основано на том, что ацидофильная палочка способна легко приживаться в пищеварительном тракте живот­ных и тормозить развитие гнилостных бактерий.

Бактериальную закваску для силосования кормов вырабаты­вают из молочной сыворотки путем введения специальной мате­ринской бактериальной закваски, культивации при 30—32°С в течение 12—16 ч и охлаждения до 8—10 °С. В результате приме­нения бактериальной закваски при силосовании кормов повыша­ются их питательная ценность, органолептические, физико-химические и микробиологические показатели. За счет активного развития молочнокислого процесса в силосе подавляется развитие маслянокислых и гнилостных микроорганизмов, а также бактерий группы кишечной палочки и плесеней.