Изохорная заморозка молока: перспективная альтернатива

Продовольственная безопасность стала предметом озабоченности мирового сообщества. Молоко относится к одному из наиболее полноценных природных продуктов с точки зрения питательной ценности. Большие опасения вызывает проблема пищевых отходов молока. По всему миру молочные фермеры ежегодно выбрасывают молоко из-за колебаний объемов производства, испытывая переизбыток в пиковые сезоны и дефицит в непиковые периоды. 

Потери молока в целом по индустрии в России 2-3% (лучшие мировые практики позволяют снизить их до уровня менее 1%). 

Рис. 1. Потери при неправильном обращении с молоком по России за период 2020-2021 гг. 

Глобальные оценки подсчитывают, что ежегодно выбрасывается примерно 128 миллионов тонн молока. Хотя текущее производство молока удовлетворяет потребительский спрос во многих регионах, будущее сопряжено с неопределенностью, обусловленной изменением климата и увеличением экстремальных погодных условий. 

Производство молока очень чувствительно к тепловому стрессу. Сильная летняя жара снижает производство молока до 40%. Учитывая жизненно важное значение молока и его побочных продуктов, таких как детское питание, становится все более очевидным, что для обеспечения продовольственной безопасности необходимы усовершенствования в методах консервирования, которые могут способствовать сокращению отходов.

Молоко с его богатым содержанием питательных веществ является идеальной средой для размножения бактерий, что делает молоко одним из самых опасных продуктов с точки зрения безопасности пищевых продуктов. Современные методы консервирования, в первую очередь термическая обработка и замораживание, предлагают частичные решения. 

1. Высокотемпературная кратковременная пастеризация успешно устраняет вредные микроорганизмы, но лишь продлевает срок хранения молока до 14 дней.
2. Обработка при сверхвысокой температуре, которая набирает популярность благодаря своей способности стерилизовать молоко путем нагревания его до 140°C в течение нескольких секунд, продлевает срок хранения молока более чем до 30 дней. Это происходит за счет значительных модификаций белка и аминокислот, которые могут повлиять на усвояемость.
3. Замораживание продлевает срок хранения молока на месяцы, но значительно снижает содержание жира, белка и лактозы в молоке.

Следовательно, для сохранения молока требуются альтернативные методы.

Технологии нетермической обработки с использованием давления стали перспективными альтернативами, способными снизить микробиологическую нагрузку и тем самым продлить срок хранения молока.

Одним из таких методов является обработка под высоким давлением, при которой молоко подвергается воздействию давления в диапазоне от 400 до 600 МПа всего на несколько секунд. Молоко требует охлаждения, но оно обладает потенциалом для продления срока хранения на значительный период, обычно от 30 до 45 дней.

Изохорная заморозка использует термодинамику замкнутой водной среды для пассивного создания повышенного давления при умеренных температурах ниже нуля, создавая технологически простое средство снижения метаболических процессов при одновременном предотвращении образования льда в хранящемся пищевом продукте. Процесс включает:

• заполнение жесткого контейнера водным раствором и пищевым продуктом;
• выдерживание его при температурах ниже нуля;
• обеспечение возможности расширения льда для пассивного повышения давления внутри системы. 

Согласно принципу Ле Шателье, повышение давления препятствует дальнейшему замораживанию, создавая двухфазное равновесие жидкость-лед под давлением со стабильной фракцией льда при любой заданной температуре ниже точки замерзания. 

Ученые Калифорнийского и Техасского университета при поддержке Министерства сельского хозяйства США провели ряд исследований по альтернативному способу сохранения свойств молока. Исследование было направлено на изучение физико-химических и микробиологических изменений, возникающих в результате изохорной заморозки сырого молока при температурах -5°C и -10°C и соответствующих давлениях 77 и 96 МПа при хранении до 5 недель.

Оценивали ключевые параметры, такие как:

• рН;
• титруемая кислотность;
• цвет;
• вязкость;
• активность лактопероксидазы;
• свободные жирные кислоты;
• окисление липидов;
• содержание белка;
• взаимодействие с белками;
• летучие вещества;
• микробиологические показатели.

Длительное хранение в условиях изохорной заморозки по сравнению с охлаждением привело к повышению качества по измеряемым параметрам. Длительная изохорная заморозка также позволила лучше сохранить молоко в течение более длительного периода хранения. В отличие от обычного охлаждения, молоко обработанное этим методом (при температурах -5°C / 77 МПа и -10°C / 96 МПа) не только подавляло рост микроорганизмов, но и значительно снижало их количество. При -10°C количество микроорганизмов было ниже обнаруживаемого предела. Этот антимикробный эффект, обусловленный сочетанием повышенного давления и пониженной температуры, позволил продлить срок годности сырого молока до 5 недель (самый длительный изученный период хранения).

При температуре -10°C / 96 МПа исследование показало, что высокие давления приводят к более быстрой и эффективной дезактивации микроорганизмов, но эти условия влияют на физико-химические свойства по сравнению с необработанным сырым молоком. А при температуре -5°C / 77 МПа профиль летучих веществ и уровни окисления липидов, которые были аналогичны уровню свежего сырого молока, сохранялись в течение 5 недель, и не было никаких физико-химических или микробиологических указаний на то, что существенно более длительного хранения достичь невозможно.

Рис. 2. Изохорная заморозка в сравнении с охлаждением

Изохорная заморозка потенциально может значительно увеличить срок хранения молока за счет снижения микробиологической активности при сохранении его питательного и физико-химического состава. Применение изохорной заморозки, позволяющей регулировать срок хранения молока без существенного отклонения качества, может предложить новые средства сокращения отходов молока, обусловленных временными колебаниями рынка, и устранения неопределенности в отношении будущих объемов производства молока, обусловленной изменением климата. 

Эта работа показала только начальное исследование потенциала изохорной консервации молока, предлагая потенциально многообещающее решение для повышения продовольственной безопасности, сокращения пищевых отходов и обеспечения потребителей безопасным, питательным молоком после более длительного хранения.

Источники: Продуктовый расчёт в молочной промышленности: Методические указания / Авт.-сост. Н. Г. Лаптева, Е. П. Сучкова. НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Великий Новгород, 2013. – 16 с. |  Maida, A.L.; Bilbao-Sainz, C.; Karman, A.; Takeoka, G.; Powell-Palm, M.J.; Rubinsky, B. Effects of Isochoric Freezing on the Quality Characteristics of Raw Bovine Milk. Foods 2023, 12, 4150. https://doi.org/10.3390/foods12224150