Молочна галузь давно є взірцем ефективності, розвинувшись від простої переробки молока до виробництва широкого спектра функціональних і нутриційних інгредієнтів. Проте цей поступ породжує великі обсяги низькоцінних побічних продуктів — таких як пермеат сироватки та кисла сироватка. Про те, як біоферментація перетворює їх на високоцінні продукти, у своїй авторській колонці для Dairy Foods пише Пратіштха Верма з Центру молочних досліджень (Center for Dairy Research).

Переробники опанували мистецтво фракціонування, створюючи високоцінні продукти — концентрати сироваткового протеїну (WPC), ізоляти сироваткового протеїну (WPI) та інші спеціалізовані інгредієнти, що відповідають попиту споживачів на нутриційність і застосування в їжі та напоях. 

Однак цей прогрес генерує великі обсяги низькоцінних побічних продуктів, як-от пермеат сироватки, кисла сироватка та інші потоки, що утворюються під час виробництва сиру, грецького йогурту й фракціонування білка.

Історично ці потоки відводили на корм тваринам або дороге утилізування, що створювало екологічний та економічний тягар. На кожен кілограм виробленого сиру утворюється майже дев’ять літрів сироватки, і якщо її викидати без очищення, вона несе суттєві загрози для довкілля та сталості. 

Проте сьогодні ці потоки, багаті на лактозу й мінерали, дедалі частіше визнають невикористаним ресурсом, який можна валоризувати (підвищити його цінність) за допомогою біоферментації.

Що таке біоферментація

Біоферментація — використання мікроорганізмів для перетворення цукрів і поживних речовин на нові молекули — пропонує потужний підхід до перетворення молочних побічних продуктів на високоцінну продукцію. Ці потоки багаті на лактозу — вуглевод, який мікроби здатні ефективно метаболізувати, що робить їх ідеальним субстратом для ферментації.

Серед стратегій — використання лактозопозитивних дріжджів, як-от Kluyveromyces marxianus, ферментативний гідроліз лактози до глюкози й галактози або застосування мікробних консорціумів, що розвиваються на молочних матрицях. 

Оскільки ці потоки є санітарними й харчової якості, вони часто потребують меншого попереднього оброблення, ніж сільськогосподарські залишки, що зменшує витрати й складність. Це поєднання рясного постачання й сприятливого складу робить молочні побічні продукти стратегічним ресурсом для сталих інновацій.

Від біопластику до пального: спектр можливостей

Можливості валоризації молочних побічних продуктів через біоферментацію напрочуд різноманітні. Один із найперспективніших шляхів — виробництво полігідроксіалканоатів (PHA), біорозкладних пластиків, які бактерії синтезують, живлячись багатими на лактозу субстратами. 

Ці біопластики можна екстрагувати й перетворювати на плівки, покриття та пакувальні матеріали, пропонуючи сталу альтернативу пластикам на нафтовій основі.

Ще одна значна можливість — органічні кислоти, як-от молочна, лимонна й оцтова, причому молочна кислота слугує ключовим попередником полілактиду (PLA) — біопластику, що набуває поширення. 

Виробництво етанолу із сироватки має давню історію, а сучасні підходи розширюють його до крафтових спиртних напоїв і напоїв на основі сироватки, поєднуючи сталість зі споживчою привабливістю, з можливістю подальшого перетворення на стале авіаційне пальне.

Просувається й виробництво одноклітинного білка (single-cell protein, SCP): дріжджі та гриби перетворюють молочні вуглеводи на високобілкову біомасу для кормів, аквакультури й потенційно харчування людини. Ще один рубіж — мікробні олії, багата на ліпіди біомаса, яку виробляють оліогенні (олієнагромаджувальні) дріжджі; їх можна перетворити на біодизель або навіть стале авіаційне пальне. 

Ці організми здатні накопичувати до 70% своєї біомаси у вигляді ліпідів, які після ферментації можна переробити на відновлюваний дизель або гідроочистити до вуглеводнів гасового ряду. Хоча цей шлях ще перебуває на ранній пілотній стадії, він демонструє, як молочні побічні продукти можуть робити внесок у низьковуглецеві транспортні рішення, підкреслюючи їхню роль у майбутній економіці замкненого циклу.

Інвестиції в інфраструктуру та економіка масштабу

Дослідні центри й компанії по всіх США інвестують в інфраструктуру молочної біопереробки. Наприклад, Центр молочних досліджень (Center for Dairy Research, CDR) у Вісконсині встановив ферментаційну систему на 400 літрів, щоб допомогти переробникам випробовувати ідеї на масштабі, наближеному до комерційного. Розрив у вартості між розробкою й промисловим масштабом може бути суттєвим: біореактор на 100 літрів може коштувати десятки тисяч доларів, на 1 000 літрів — кілька сотень тисяч, а повномасштабні заводи часто сягають мільйонів.

Утім, такі об’єкти допомагають валідувати процеси й оптимізувати вихід продукту до великих інвестицій. Експерти наголошують на інтеграції мембранного фракціонування з ферментацією, доборі мікробів, здатних працювати з лактозою, і завчасному плануванні подальшого розділення продуктів, оскільки витрати на очищення часто домінують у собівартості. Стабільне постачання сировини, стратегії використання лактози й ефективні технології відновлення продукту є критично важливими для успіху.

Партнерства між молочними переробниками, біотехнологічними фірмами й академічними установами пришвидшують поступ, а пілотні проєкти демонструють, що те, що колись вважали відходом, може стати прибутковим продуктовим потоком.

Виклики, що лишаються

Виклики нікуди не зникли. Мінливість сировини може впливати на продуктивність мікробів, а гідроліз лактози додає витрат, навіть попри те що підвищує вихід. Подальше оброблення таких продуктів, як PHA й мікробні олії, може перевищувати половину загальної собівартості, тож масштабоване й енергоефективне відновлення продукту є критичним. 

Ще одна перешкода — регуляторна відповідність, особливо для харчових чи кормових застосувань, які потребують документації з безпечності та, у багатьох випадках, статусу загальновизнаної безпечності (GRAS) для мікробних штамів і процесів. Свою роль відіграє й прийняття ринком: хоча сталість є сильним аргументом продажу, продукти мають відповідати цільовим показникам за характеристиками й вартістю, щоб конкурувати зі звичайними альтернативами.

Побічні продукти як стратегічний ресурс

Попри ці виклики, можливість очевидна. Побічні продукти більше не просто відхід — це стратегічний ресурс для біоекономіки. За наявності правильних мікробів, реакторів і технологій розділення такі потоки, як пермеат і кисла сироватка, можуть стати цінною сировиною для матеріалів, пального й новітніх продуктів харчування, що покращують маржу й зменшують вплив на довкілля.

У міру того як біотехнології дозрівають, а сталість стає ринковою необхідністю, молочні переробники опиняються на переломному етапі. Майбутнє молочної галузі не обмежується молоком і традиційними продуктами. Ідеться про розширення цінності через інновації, розкриття прихованого потенціалу кожної фракції та побудову стійкої низьковуглецевої харчової системи, що живиться різноманіттям і винахідливістю.

Про автора

Пратіштха Верма — науковиця з інгредієнтів і застосувань у молочній галузі в Центрі молочних досліджень (Center for Dairy Research) при Університеті Вісконсин–Медісон, має понад п’ять років досвіду підтримки молочної галузі. Активна членкиня Інституту харчових технологів (IFT). Докладніше — на сторінці авторки.

Джерело: Dairy Foods