Введение Проблемы модернизации пищевой индустрии России в целом и молочной отрасли АПК в частности, являются исторически (более 40 лет – СтПИ, СКГТУ, СевКавГТУ, н/в СКФУ) приоритетными для нашего сложившегося творческого коллектива, который официально зарегистрирован на федеральном уровне под брендом «Живые Системы» в виде ведущей научной школы №7510.2010.4. В статье, с учетом фактора временной логистики, изложены некоторые результаты исследований в области молочного дела на примере (по академику Н. Н. Липатову [1] «универсального сельскохозяйственного сырья» теперь + «животного происхождения») тривиальной для отрасли молочной сыворотки. При этом учитывался фактор времени. Прежде всего – актуальность и неизбежность технологического прорыва всех отраслей экономики Российской Федерации (РФ), которая в системном виде четко сформулирована в выступлении Президента РФ Путина В. В. на Совете ректоров ВУЗов России (24.04.2018 г. Санкт-Петербург) [2]. Следует отметить и подчеркнуть, что все положения по технологическому прорыву полностью соответствуют реализации основополагающей цели Указа Президента РФ № 204 от 07.05.18 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» [3]. В первом пункте Указа предусмотрено создание в аграрно-промышленном комплексе высокопроизводительного экспортно2018. Т. 48. № 3 / Техника и технология пищевых производств / Food Processing: Techniques and Technology ISSN 2074-9414 (Print) ISSN 2313-1748 (Online) Khramtsov A.G. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 5–15 6 ориентированного сектора, развивающегося на основе современных технологий и обеспеченного высококвалифицированными кадрами. В пункте 7 Указа (разработка национального проекта в сфере экологии) содержится конкретизация тематики нашего журнала (ждет постоянной рубрики) – «применение всеми объектами, оказывающими значительное негативное воздействие на окружающую среду, системы экологического регулирования, основанной на использовании наилучших доступных технологий (выделено нами)» [4–7]. В результате альтернативной выборки для изложения в рамках допустимого объема информации, выбраны инновационные приоритеты по полному использованию всех компонентов сухого остатка молочной сыворотки (сухие концентраты); получение компонентов на примере высококачественной лактозы и синтез производных, как генеральная линия, по нашему мнению, возможного Технологического Прорыва [8] молочной отрасли пищевой индустрии АПК в плане грядущего (нового – шестого) Технологического Уклада [9]. Информация персонифицирована с интригующим изложением для притягательного сопровождения инноваций и возможного масштабирования в отрасли. Объекты и методы исследования Научная школа (для настворческий коллектив) «Живые Системы» института живых систем СевероКавказского федерального университета имеет более 100 научных разработок по рациональному использованию сельскохозяйственного сырья в продуктах функционального питания и кормовых средствах нового поколения – про-, пре- и синбиотики (биопрдукты «зеленой корзины»). Около 50 брендов востребовано в отрасли. Экономический потенциал разработок превышает 10 млрд руб. в год (экономия тысяч тонн мяса, млн тонн молока) с экологической составляющей и социальной направленностью. Например, десятки мясных изделий (РФ), молочный сахар (РФ), завод лактозы в Балте (Украина), лактулоза (РФ и Беларусь), деминерализованная сухая сыворотка (Кубань, Кемерово, Алтай, зарубежье), сырки глазированные «Здоровое Питание» (МКС), сыр «Адыгейский Альпийский» (Черкесск), инновационные продукты из козьего молока (РФ, Ставрополье, в т.ч. фермерские хозяйства) и др. Научное кредо (багаж): более 50 брендов (проекты, бизнес-планы, НТД), адаптированных к ТР, ВТО, ЕЭС; тысячи публикаций, сотни патентов, диссертации, серия трудов, учебники, учебные пособия, научно-методические указания. Кадровый потенциал: доктора наук (12, в т.ч. 11 воспитанники СКФУ) от 30 до 75 лет (сплав опыта, мудрости и перспективы), кандидаты наук (60), аспиранты (35), докторанты (5), соискатели отрасли (10), студенты (специалитет, магистры, бакалавры ИЖС – более 1000). Номинации: Заслуженный деятель науки Российской Федерации (2), лауреаты премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники (4), Заслуженные и Почетные работники высшего образования (6), лауреаты ВДНХ, ВВЦ, салонов инноваций и инвестиций. Признание в отрасли (пищевой индустрии) на федеральном уровне – премия Правительства РФ за синтез и внедрение отечественного пребиотика лактулозы (№ 1 в мире) в области науки и техники; действующий Диссертационный Совет Д.212.245.05 на постоянной основе – три созыва; аспирантура; докторантура; адаптация результатов НИР в учебнике и учебных пособиях с грифом УМО Минвуза РФ. Международный имидж – Симпозиум Международной молочной Федерации «Лактоза и ее производные» (Россия, г. Москва, май 2007), Мега-Профилайн (РФ + Чехия) и др. (всего более 20 наименований). Подтверждение лидерства (признание) – членство в Молочном Союзе России (на бесплатной основе – как исключение) и НОУ «Образовательный центр при ВНИМИ» – федеральный уровень; учредители и члены НОЦ «Молоко Юга России» – региональный уровень; участие в программах АН РФ (Южное Отделение); три эксперта в Комитетах ММФ (пока единственные от Минвуза); проведение Международных Семинаров, школ и конференций (2004, 2006, 2007, 2009 и 2009 на базе СКФУ); Международное сотрудничество по договорам, намерениям и обмену (более 50 наименований); позиционирование в Международных и Российских рейтингах: номинанты международных справочников «Кто есть кто – выдающиеся ученые мира», «5000 выдающихся имен», «2000 выдающихся имен», «Лучшие люди России», «Золотые циклы», «Видные химики». Инновационные приоритеты (перспектива) – реализация Концепции нано-, био-, мембранных и биомембранных технологий продуктов питания и кормовых средств нового поколения (кластерный уровень с использованием энергии системы); участие в реализации Концепции социально-экономического развития РФ и регионов до 2020 г.; формирование технологической платформы антикризисных мер для АПК; международная презентация НОЦ нано-, био-, мембранных технологий; внедрение инноваций с достойным инвестированием, импортозамещением и экспортоориентированием для обеспечения продовольственной безопасности России, ЮФО и Ставрополья. Из множества инноваций (отчеты НИР и акты внедрения – 1000 наименований), дипломных работ (более 5000) и диссертаций (около 200) выбраны пять направлений, которые наиболее четко отражают концептуальную направленность поисков – полное использование сельскохозяйственного сырья на принципах безотходной технологии, извлечение компонентов и синтез их производных для продуктов функционального назначения и кормовых средств нового поколения. Результаты и их обсуждение Безусловно, полное использование имеющихся ресурсов молочной сыворотки наиболее Храмцов А. Г. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 3 С. 5–15 7 целесообразно для получения линейки тонизирующих напитков широкого ассортимента под брендом проф. Н. В. Заворохиной – «Молочная сыворотка, продлевающая жизнь» [10], особенно по Стивену Луффу – «иммунитет; антигрипп, даже птичий» [11]. По данной тематике имеется обширная информация, в т.ч. нашего творческого коллектива [12–14]. Однако с точки зрения супер технологий технологического прорыва следует остановиться на получении сухих концентратов неограниченного срока хранения (и использования с учетом пока существующей сезонности получения молочной сыворотки) с реализацией Концепции предложенной нами и принятой отраслью бионаномембранных технологий [15, 16]. Творческий коллектив профессор И. А. Евдокимова (соруководитель научной школы, мой преемник и продолжатель) блестяще справился с проблематикой получения сухой деминерализованной молочной сыворотки. Разработка востребована Таможенным Союзом и на мировом уровне [17, 18]. На рис. 1. показана уникальная аппаратурнопроцессовая схема с контрольными точками, а в табл. 1. приведен сравнительный состав сухих концентратов молочной сыворотки разного уровня деминерализации. В России и мире процесс масштабирован [19]. Произошел действительный технологический прорыв. Ежегодное производство сухой молочной сыворотки в нашей стране растет невиданными темпами (до 30 %) и превышает 100 000 тонн (ранее завозили даже из Аргентины). Данный феномен – заслуга отрасли и ее профессионалов. Наша задача, совместно с отраслевыми институтами РАН и Минсельхозом, – обеспечить кадровое, научноI — творожная сыворотка II — сыворотка подогретая для сепарирования III — сыворотка осветленная и обезжиренная IV — казеиновая пыль V — подсырные сливки VI — сыворотка пастеризованная VII — деминерализованная сыворотка VIII — сыворотка деминерализованная сгущенная IX — кристаллизованная сыворотка X — сыворотка деминерализованная сухая Рисунок 1 – Аппаратурно-процессовая схема производства сухой деминерализованной творожной сыворотки с элементами системы управления качеством (ХАССП) Figure 1 – The hardware-process scheme for the production of dry demineralized cottage cheese whey with elements of a quality management system Таблица 1 – Физико-химические показатели сыворотки молочной деминерализованной сухой Table 1 – Physico-chemical indicators of demineralized dry milk whey Показатель Значение показателей для сыворотки деминерализованной Подсырной с уровнем деминерализации, % Творожной с уровнем 20 30 40 50 70 90 деминерализации 70 % Массовая доля влаги, %, не более 4,0 Массовая доля золы, %, не более 7,2 6,3 5,4 4,5 3,0 1,0 3,8 Титруемая кислотность, °Т, не более 25 20 40 Индекс растворимости, сырого осадка см, не более 0,3 0,5 Khramtsov A.G. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 5–15 8 α-D- Лактоза Шкалирование латентных переменных → Лактулоза Превращение лактозы в лактулозу со срезом шкалирования по методологии нейронных сетей техническое и информационное сопровождение инновации. Ждем отечественного электродиализного и нано фильтрационного оборудования [20, 21]. Следующая новация этого же творческого коллектива СКФУ со Стратегическим Партнером – молочный комбинат «Ставропольский» (МКС). На паритетных началах (государство – бизнес) и по инициативе ректора СКФУ Левитской А. А. и генерального директора МКС Анисимова С. В. – создание производства высококачественной лактозы (пищевой и фармакопейной) [22]. По нашей отечественной технологии, забытой с советских времен [23] и реанимированной на симпозиуме Международной Молочной Федерации (ММФ) – Россия, Москва, май 2007 [24], молочный комбинат, как птицу-феникс, создает пока единственное и уникальное производство лактозы с использованием отечественного (создается) и импортного (закуплено) оборудования. Суть инновации опубликована [25]. Надеемся, что Россия вновь станет производителем молочного сахара (лактозы) с полным импортозамещением и возможностью экспорта. После лактозы (сахара жизни) просится «на свет чудо из молока» – лактулоза. Профессор С. А. Рябцева с учениками [26–28] и ее продолжатель профессор А. В. Серов [29] обеспечили научно-техническую базу премии Правительства РФ в области науки и техники по производству пребиотика № 1 в мире и его использование в продуктах функционального назначения – напитках (в т. ч. алкогольных), мед- и ветпрепаратах. Работа проведена в содружестве с творческим коллективом Рисунок 2 – Нейросетевое моделирование и персептрон множественности процесса изомеризации лактозы в лактулозу Figure 2 – Neural network modeling and perceptron of the multiplicity of the process of isomerization of lactose into lactulose Храмцов А. Г. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 3 С. 5–15 9 из 14 человек. Наш коллега доктор технических наук Г. Б. Гаврилов обеспечил научное сопровождение инновации, её внедрение [30–32]. А доктор технических наук Д. В. Харитонов (Москва, институт РАН ВНИМИ) получил лактулозу в сухом виде [33, 34]. Механизм нейросетевого моделирования и многослойный персептрон процесса изомеризации лактозы в лактулозу приведен на рис. 2. В табл. 2 произведена выборка из массива виртуальных опытов по изомеризации лактозы в лактулозу комплексным катализатором. Следует обратить внимание, что по ранее полученным данным реагентной и безреагентной изомеризации степень превращения лактозы в лактулозу (выход) не превышала 50 %. Теоретически возможный уровень выше 90 %. Таково значение нейросетевого моделирования тривиальных процессов технологии в системе Гипер-Хим, используемый на практике в нашем творческом коллективе (цифровые супертехнологии на протонном уровне с применением лазера). Профессор С. А. Емельянов, используя биотехнологическую платформу генетики, научно обосновал и практически разработал систему кондиционирования молочного сырья до технологической обработки в условиях Рисунок 3 – Инновационные бионаномембранные технологии пищевых производств Figure 3 – Innovative bionanomembrane food production technologies Таблица 2 – Выборка из массива виртуальных опытов по изомеризации лактозы в лактулозу комплексным катализатором Table 2 – Sample from the array of virtual experiments on the isomerization of lactose into lactulose with a complex catalyst Опыт Лактоза, % Н3 ВО3 /лактоза Na2 SO3 рН Т °С Время Выход 1 48,92142 1,761295 2,276101 11,95653 66,99793 26,16765 95,28877 20 40,72835 1,8478 4,665853 11,8426 68,47873 11,20654 93,66193 40 31,02365 1,872706 1,756898 11,40414 64,19588 48,46972 91,5519 50 49,99214 1,702686 3,931825 11,69242 72,06526 12,75055 90,46055 60 19,37833 1,873551 4,559601 11,5751 55,6818 47,69055 89,69267 120 15,05969 1,882083 4,195977 11,18283 73,1721 43,92593 84,95797 НАНОБИОЛОГИЯ споры вегетативная клетка Очистка от токсинов, вирусов и бактерий, с направленным воздействием на споры Молекулярная трансформация компонентов молочного сырья Система дисперсных фаз молочного сырья б) а) Санация и очистка Конструирование пищевых нанокапсул и их применение Исследование молекулярных механизмов действия и токсичности нанобиотехнологических продуктов в живой клетке НАНОМЕДИЦИНА Ячейка периодичности с молекулой α-казеина до (а) и после (б) термической обработки НАНОМЕХАНИКА Двумерный график распределения электростатического потенциала на фрагменте тропоколлагена в нейтральной водной среде НАНОБИОИНФОРМАТИКА БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ Ситовая модель процесса баромембранного разделения молочного сырья (нанофильтрация) Кавитационная дезинтеграция раствора NaCl ЭЛЕКТРОХИМИЯ Растворение хитозана (электронная фотография) НАНОХИМИЯ Нанокапсулирование Наномикробиология Khramtsov A.G. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 5–15 10 D – Молочная сыворотка; обезжиренное молоко Молочная сывороткаОбезжиренное молоко Казеиновая пыль Подсырные сливки C C1 ВлагаСгущенное обезжиренное молоко C2 Деминерализованная сыворотка Рабочий раствор солей C3 Щелочные реагенты;анионитыC4 Лимонная кислота; кислая сыворотка B B1 Обезжиренное молоко; изомеризованная сыворотка Препарат панкреатина B2 Сгущенное обезжиренное молоко; гидролизованное обезжиренное молоко A A1 ВлагаA2 Влага A3 Фляга, мешок Сгущенные и сухие бифидогенные концентраты D Milk whey; skimmed milk Milk whey Skimmed milk Casein dust Cranberry cream C C1 Moisture Condensed skimmed milk C2 Demineralized whey Working saline solution C3 Alkaline reagents; anion exchangers C4 Citric acid; sour whey B B1 Skimmed milk; isomerized whey Pancreatin B2 Condensed skimmed milk; hydrolyzed skimmed milk A A1 Moisture A2 Moisture A3 Flask, bag Condensed and dry bifidogenic concentrates Рисунок 4 – Операторная модель получения бифидогенных концентратов на основе молочной сыворотки Figure 4 – Operator model for obtaining bifidogenic whey-based concentrates Молочная сыворотка; обезжиренное молоко Казеиновая пыль Подсырные сливки Рабочий раствор солей D B1 Препарат панкреатина B Влага A C2 C Влага C1 Щелочные реагенты; аниониты C3 C4 Лимонная кислота; кислая сыворотка Молочная сыворотка Обезжиренное молоко Деминерализованная сыворотка Сгущенное обезжиренное молоко B2 Изомеризованная сыворотка Сгущенное обезжиренное молоко; гидролизованное обезжиренное молоко Концентрированная сыворотка Обезжиренное молоко; изомеризованная сыворотка Влага A1 A2 Фляга, мешок A3 Сгущенные и сухие бифидогенные концентраты Храмцов А. Г. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2018. Т. 48. № 3 С. 5–15 11 долговременного хранения в производственных условиях. Суть проблемы – «порча» молокасырья, обезжиренного молока и молочной сыворотки при длительном хранении при низкой температуре за счет действия психрофилов и спор – «порок горечи и скисание». Санация тепловой обработкой (технологический термин термизация) при пониженных (против пастеризации и стерилизации) температурах без выдержки позволяет инактивировать психрофилов [35, 36]. Для кондиционирования необходима санация спор с их «проращиванием и инактивацией – отдельная, пока не решенная проблема отраслевого масштаба. В целом по теме разработана логистическая схема применения современных бионаномембранных технологий в молочной промышленности, приведенная на рис. 3. Она достойна отдельного рассмотрения в рамках новой генерации профессионалов для пищевой индустрии АПК. Профессор (ранее стипендиат Сороса) А. Д. Лодыгин с учениками (бакалавры, магистры, студенты и аспиранты) в результате многолетних целенаправленных исследований разработали систему получения пребиотических концентратов на основе молочной сыворотки и ее компонентов (лактоза и сывороточные белки) сложного состава для продуктов функционального питания и кормовых средств нового поколения, также функционального назначения [37–41] с регулируемым углеводным, аминокислотным и минеральным составами. Создан научно-технический задел для отрасли в преддверии нового технологического уклада [8, 9]. На рис. 4 приведена операторная модель производства пребиотических концентратов с бифидогенными свойствами. В табл. 3 приведен сравнительный состав бифидогенных концентратов и сухой молочной сыворотки. Заметная разница. На рис. 5 показаны результаты маркетингового исследования возможного рынка пребиотических концентратов для полного импортозамещения внутри страны с возможным экспортом в страны ближнего и дальнего зарубежья. Молочный комбинат «Ставропольский» имеет определенный опыт по всем упомянутым позициям [27, 42, 43]. Массив других новаций нашей научной школы (творческого коллектива, преданного отраслям пищевой индустрии АПК во все и особенно тяжкие времена с 1980 г.) достаточно подробно опубликован в открытой печати, зарегистрирован в патентах СССР и РФ, нормативных документах, прошел апробацию в диссертационных Советах и тиражирован на отраслевом уровне в Отечестве и за рубежом. Проблемные вопросы от загадки «почему молоко БЕЛОЕ» до использования 3D-принтера с целью синтеза, например, из молочной сыворотки, особенно соленого аналога огурца (сухие вещества идентичны, нутриентный состав аналогичен – дело за структурой) остаются и ждут энтузиастов исследователей, читателей нашего журнала в стране и за рубежом. Выводы В системном виде предпринята попытка критически оценить персонифицированный вклад некоторых членов творческого коллектива ведущей научной школы федерального уровня «Живые Системы» при Северо-Кавказском федеральном университете в научно-технический прогресс пищевой индустрии АПК на примере универсального сельскохозяйственного сырья – тривиальной молочной сыворотки. Изложены результаты исследований отраслевого уровня по пяти номинациям: сухая деминерализованная молочная сыворотка; лактоза высокого качества – пищевая и фармакопейная; лактулоза; кондиционирование молочного сырья до технологической обработки; линейка пребиотических концентратов. В целом реализация концепции бионаномембранных технологий в рамках технологического прорыва и преддверии нового (шестого) технологического уклада на приведенной фактуре исследований и продуктов позволяют, в рамках «федеральной площадки», заявить о нашем вкладе в кадровое, научное и информационное обеспечение отраслей пищевой индустрии в плане инновационных приоритетов продовольственной независимости Российской Федерации и ее регионов. кормовые добавки и ЗЦМ безалкогольные напитки кондитерские изделия хлебобулочные изделия мясопродукты мороженое продукты детского питания функциональные КМП и сыры Таблица 3 – Средний химический состав опытных образцов сухого бифидогенного концентрата и молочной сыворотки Table 3 – The average chemical composition of the experimental samples of dry bifidogenic concentrate and whey Наименование показателя Среднее значение и пределы колебаний бифидогенный концентрат сухая сыворотка (аналог) Массовая доля сухих веществ, % 94,5 ± 0,4 95,2 ± 0,2 в том числе: b-лактозы, % 38,4 46,0 ± 1,5 a-лактозы, % 10,8 ± 1,5 24,0 ± 1,5 лактулозы, % 15,5 ± 2,0 – белка, % 8,9 ± 1,3 11,5 ± 1,5 минеральных веществ, % 14,1 ± 2,5 6,6 ± 1,5 Рисунок 5 – Сегментация рынка пребиотических концентратов Figure 5 – Segmentation of the market for prebiotic concentrates Khramtsov A.G. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2018, vol. 48, no. 3, pp. 5–15 12 Конфликт интересов Конфликта интересов нет – исключён и проверен временем с 1980г. Благодарности Благодарю всех уважаемых коллег, упомянутых в статье, за предоставленную информацию и понимание окончательной редакции. Финансирование Выполнении научно-исследовательских разработок по теме «Создание высокотехнологичного производства лактозы для фармацевтической и пищевой отраслей промышленности» осущесвляется СКФУ совместно с АО Молочный комбинат «Ставропольский» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, договор МОН 03.G25.31.0241.