9 апреля 2010 года Правительство Российской Федерации утвердило постановление №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Целью государственной поддержки является развитие кооперации российских высших учебных заведений и производственных предприятий, развитие научной и образовательной деятельности в российских вузах, стимулирование использования производственными предприятиями потенциала российских высших учебных заведений для развития наукоемкого производства и стимулирования инновационной деятельности в российской экономике.
Одним из наиболее перспективных направлений в развитии производства продуктов питания нового поколения с функциональными свойствами разной направленности является использование нанотехнологий и мембранных технологий.
Первое определение нанотехнологий ввел в 1974 г. японский профессор Норио Танигухи. Нанотехнологии - это как «технологии, контролирующей поведение и/или структуру на уровне молекул и атомов». Нанотехнология - это приемы и методы, позволяющие работать с материальными объектами в нанодиапазоне.
Нанобиотехнология - раздел нанотехнологии, занимающийся созданием нанопродуктов для воздействия на живые системы или с использованием живых систем для целей создания нанотехнологических продуктов.
Нанотехнология в настоящее время динамично развивающаяся научная дисциплина. Со стороны национальных правительств, регулирующих органов и деловых кругов существует стойкий интерес к ней. Группа Helmut Kaiser Consultancy Group предсказывает, что к 2015 г. нанотехнологии будут применяться уже в 40 % пищевой индустрии. Из всех нанопродуктов наиболее широко при производстве продуктов питания и напитков используются ферменты, так как фермент - это наноразмерная молекула белка, которая выступает катализатором в химической реакции. Определенные ферменты можно выделить из организма, произведшего их, или изготовить искусственным путем, а затем применять в различных производственных процессах, включая производство пищевых продуктов.
Приблизительно 80% всех промышленных ферментов являются гидролазами и используются для деполимеризации природных веществ. Из данных ферментов 30% составляет карбогидролаза, которая используется в хлебопечении, пивоварении, производстве алкогольных напитков и крахмала.
Тремя основными источниками натуральных ферментов являются растения, животные и микроорганизмы. Микроорганизмы используются более широко, чем растения и животные, поскольку их производство, как правило, дешевле, а их ферментный состав обычно легче прогнозировать и контролировать. Кроме того, легче организовать поставку сырья. Ферменты, производимые грибами (амилазы, диактазы и т.д.), изготавливаются путем стимуляции ферментации субстрата (например, отрубей или пырея) микроорганизмами.
В настоящее время ферменты широко применяются в производстве пищевых продуктов для улучшения текстуры, внешнего вида, питательной ценности и аромата продуктов питания. Ферменты также служат в качестве биодатчиков на токсичность и используются для оценки качества при производстве продуктов питания. Ферменты имеют несколько преимуществ: биоразлагаемость и большая специфичность, благодаря которой уменьшается количество побочных реакций и побочных продуктов, и, следовательно, повышается качество продукции и снижается вероятность загрязнения.
В производстве продуктов питания и напитков могут использоваться нанохимические датчики и нанобиодатчики. Нанохимические датчики, в основном, связанны с ароматизацией и ароматизаторами продуктов питания и напитков. Наиболее часто эта технология разработана на основе использования наночастиц. Чувствительность к различным молекулам достигается за счет количественного и качественного варьирования состава проводящих и/или непроводящих участков на матрице датчика. В качестве проводящих участков при этом используются проводящие наночастицы. Нанобиодатчик - это устройство, которое включает: живой организм или продукт, получаемый от живых систем (например, фермент или антитело); преобразователь для осуществления индикации, подачи сигнала или другой формы подтверждения присутствия определенного вещества в окружающей среде.Для применения нанотехнологий в пищевой промышленности особый интерес представляет молочная сыворотка, которая имеет достаточно сложный дисперсный состав. Размеры диссперсных компонентов позволяют сделать вывод, что молочная сыворотка является идеальным сырьем для нанотехнологических операций.
Более 80 % сухого вещества (не считая воды) представлено компонентами, размер которых идеализирован к нанообласти: лактоза (70 %) - на уровне 1 нм; минеральный комплекс (в основном) - менее 1 нм в диссоциированном (молекулы и атомы) состоянии; сывороточные белки (от 10 нм) полностью соответствуют структуре нанокластеров.
С экономической точки зрения целесообразно развивать мембранные методы обработки, особенно метод нанофильтрации для выделения ценных компонентов молочной сыворотки. Эти методы относительно малоэнергоемки и позволяют в ряде случаев проводить технологический процесс при пониженных температурах (8-10 °С), что дает возможность сохранить полезные (нативные) свойства обрабатываемого сырья, получаемых продуктов и полуфабрикатов (например, остается не денатурированный белок, сохраняются витамины, ферменты и др.). В молочной промышленности процесс нанофильтрации в основном используется для выпаривания и частичной деминерализации жидкой сыворотки. Помимо этого, белки и лактозу часто отделяют для использования в производстве других пищевых продуктов или в качестве пищевых добавок.
Как правило, процесс отделения белков от сыворотки происходит путем ультрафильтрации, тогда как нанофильтрация используется в следующем этапе процесса для удаления минеральных солей и оставления лактозы и витаминов. Данный процесс называется деминерализацией сыворотки: концентрат содержит обессоленные углеводы сыворотки, жир и витамины, а раствор, получаемый в результате нанофильтрации, состоит из соленых сточных вод. Нанофильтрация, как правило, делает возможным уровень деминерализации на уровне 35 % за один этап и до 45 % за два этапа (после разбавления концентрата он снова проходит этап нанофильтрации).
Уже разработан и используется метод нанобиотехнологического гидролиза молочной сыворотки до моноз, который позволяет исключить так называемую непереносимость молока. В России впервые по программе «Здоровый город» освоено производство низколактозного молока. Кроме того, уже существуют методы формирования нанотрубок с использованием нанотехнологий из альбуминового молока [6].В настоящее время продолжается научно-исследовательская работа по совершенствованию методов получения белковых продуктов (творога, творожных паст) с использованием ультрафильтрации сыворотки и более полного использования сывороточных белков. Предложен метод производства творога с использованием ультрафильтрационного концентрата сывороточных белков (КСБ-УФ). Безотходность производства может быть обеспечена при использовании УФ-фильтрата для производства напитков [7, 8, 9]. Производство творога осуществляется следующим образом:
1. Сыворотку от предыдущей партии сепарируют и подвергают ультрафильтрации для получения КСБ-УФ с содержанием сухих веществ 18-20 %.
2. КСБ-УФ пастеризуют при температуре 72-74°С с выдержкой 20 с.
3. КСБ-УФ в количестве 10% вносят в нормализованное и пастеризованное молоко, нагретое до температуры 90-94°С.
4. Смесь выдерживают 45 минут при температуре коагуляции дляболее полной коагуляции и уплотнения сгустка.
5. Смесь сливают в ванну для самопрессования и выдерживают 35-40 минут.
6. Полученный творог фасуют по 250 г в полистироловые стаканчики с прокладкой из фольги.
Творог, выработанный по приведенной технологии имел вкус пресный или слегка кислый, чистый кисломолочный, с привкусом пастеризации; консистенцию однородную, мажущуюся или слегка рассыпчатую, нежную, с легкой крупинчатостью. Содержание белка в твороге должно быть 19,0% (не менее), жира 10,0% (не менее), влаги 66,0% (не более). Углеводы творога представлены не только лактозой, но и моносахаридами глюкозой и галактозой, которые составляют 31,8% от общего количества углеводов.
К другим применениям ультрафильтрации и нанофильтрации в молочной промышленности можно отнести предварительное сгущение молока при изготовлении сыра, а также частичную деминерализацию молока и мембранную стерилизацию [9].
При мембранной стерилизации исходное молоко разделяется на две фракции: фильтрат (пермеат) - стерилизованное обезжиренное молоко и концентрат (ретентат) - часть молока, содержащая бактерии. Пермеат проходит через мембрану и, таким образом, является обеззараженным продуктом. На одноступенчатой установке количество пермеата составляет приблизительно 95% входящего потока. На многоступенчатых установках количествопермеата можно довести до 99,5% от объема входящего обезжиренного молока. Ретентат или добавляется в сливки, идущие на нормализаию, с последующей термообработкой перед смешиванием со стерилизованным обезжиренным молоком, или перерабатывается отдельно.
Нанофильтрация также используется в сахарной промышленности для получения сахара в концентрированной форме. Нанофильтрационная мембрана позволяет воде проходить, удерживая сахар с образованием раствора концентрата. К другим применениям нанофильтрации в индустрии питания и напитков относятся выделение этанола для получения безалкогольного пива [11].
При удалении этилового спирта с помощью обратного осмоса пиво под давлением перекачивается через полупроницаемую мембрану, в состав которой входят тонковолокнистые материалы. В результате вода и спирт проходят через мембрану, а экстрактивные вещества остаются в пиве. При этом их концентрация вследствие удаления воды резко повышается, в связи с чем, в пиво необходимо постоянно подавать деминерализованную и деаэрированную воду. В процессе фильтрования и добавления воды в пиве практически не остается диоксида углерода, поэтому по достижении требуемой концентрации этанола его карбонизируют.
При использовании диализа алкоголь проходит через мембраны не под влиянием давления, а благодаря разнице концентраций спирта между пивом на одной стороне мембраны и диализатом - на другой.
Суть диализа заключается в том, что по обеим сторонам мембраны находятся разные растворы (например, с одной стороны пиво, с другой - вода); в результате начинается процесс диффузии, который заканчивается при достижении равновесной концентрации спирта с обеих сторон мембраны. После вымывания спирта несущая жидкость (диализат) поступает в систему упрощенного упаривания, освобождается от спирта и через рекуперативный теплообменник снова поступает в мембрану.
При удалении алкоголя данным методом с одной стороны мембраны подается пиво, охлажденное до 10°С, при нормальной скорости потока и нормальном давлении. С другой стороны мембраны идет поток несущей жидкости, диализата, вымывающего алкоголь из пива через мембрану и направляющего его на дальнейшую переработку. На процесс удаления алкоголя не влияют ни давление, ни температура.
Значение имеет только разность концентраций по обе стороны мембраны. Переход алкоголя в диализат осуществляется за счет разности концентраций. Диализат протекает через модули с большей скоростью и меньшим давлением, чем пиво. Количественное соотношение пива и диализата 1:5. Согласно технологии, пиво, подлежащее деалкоголизации, перед входом в модули заранее фильтруется и, переходя через модули, частично или полностью освобождается от спирта. После выхода из модуля пиво охлаждается, карбонизируется и направляется в форфас.
Таким образом, использование инновационных технологий дает возможность создавать конкурентно способную продукцию превосходного качества при низкой себестоимости в условиях постоянного повышения уровня автоматизации и внедрения систем программного обеспечения процесса производства и применять высокоэффективные энергосберегающие технологии с использованием высокотехнологичных производств пищевых продуктов.
Данные технологии должны быть обеспеченны системами качества, соответствующих стандартам ISO и HAССP (Hazard analysis and critical control points - анализ рисков и критические контрольные точки) и оборудованием, подчиненным концепции модульности, что позволяет с помощью частичной модернизации оборудования (не требующей высоких затрат) долгое время соответствовать самым взыскательным требованиям современного производства.
Рецензенты:Бурляева В.А., д.соц.н., к.п.н., профессор, заведующая кафедрой Профессионального обучения, ГАОУ ВПО Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт, г. Невинномысск;
Сербиновский М.Ю., д.т.н., профессор кафедры Технология продовольственных продуктов и естественнонаучных дисциплин ГАОУ ВПО Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт, г. Невинномысск.