Кинетика деградации молочной продукции и выбор направлений переработки на основе критических биомаркеров

Введение: Молочная продукция с предельным сроком годности формирует поток пищевых отходов, однако ее переработка затруднена вариабельностью состава и степени деградации. Существующие схемы валоризации (жироотделение, ферментация, анаэробное сбраживание, сушка) ориентированы на однородные потоки и недостаточно учитывают особенности смешанных молочных систем, что ограничивает возможность обоснованного выбора маршрута переработки.

Цель: Выявить критические параметры деградации смешанных молочных систем с предельным сроком годности и разработать на их основе алгоритмические принципы для интеллектуальной системы сортировки, обеспечивающей выбор оптимального направления переработки.

Материалы и методы: Объектами исследования являлись сливки, сметана, кефир и их бинарные смеси 50/50 жирностью 2,5-15%, срок хранения 90-120% от рекомендованного производителем. Проведен полнофакторный эксперимент ускоренного хранения при (32 ± 1) °C с отбором проб через 0, 72 и 144 ч. Определяли pH, титруемую кислотность, условную вязкость, лактозу, показатели жировой фазы (перекисное и кислотное числа, жирнокислотный состав) и профиль органических кислот. Для экстраполяции на хранение при 5 °C использовали модель Аррениуса, а для унификации потоков – регрессионный и кластерный анализ.

Результаты: Скорость деградации определялась исходной матрицей и долей ферментированных компонентов. Наиболее выраженные изменения выявлены в сливках и смесях со сливками: кислотность сливок выросла с 16 до 136 °Т, pH снизился на 2,9 единицы, а условная вязкость увеличилась более чем в 100 раз, что свидетельствует о развитии кислотной коагуляции и гелеобразования. Сметана характеризовалась наибольшей стабильностью, кефир – высокой начальной кислотностью и выраженным кислотонакоплением. В жировой фазе зафиксирован рост перекисного числа до 5,1-6,6 мэкв O₂/кг и кислотного числа до 1,7-2,2 мг KOH/г. Регрессионные модели позволили прогнозировать изменения этих показателей по составу смеси и времени хранения. Накопление молочной кислоты при наличии остаточной лактозы указывает на потенциал кислотной валоризации, тогда как содержание летучих жирных кислот более 1000 мг/л может служить основанием для перенаправления сырья после жироотделения на анаэробное сбраживание. Кластеризация по жирнокислотному составу позволила выделить 4 устойчивые группы образцов, пригодные для унификации партий.

Выводы: Деградационные изменения молочной продукции с предельным сроком годности рассматриваются как совокупность критических биомаркеров, позволяющих соотносить состояние сырья с рациональным маршрутом переработки. Предложенный подход может быть использован для интеллектуальной сортировки, предварительной оценки и маршрутизации продукции, выведенной из стандартного оборота, на этапах хранения, логистики и переработки, создавая основу для обоснованной валоризации неоднородных молочных потоков и снижения потерь ценных компонентов.

1. Бабаев, В. Н., Горох, Н. П., & Коринько, И. В. (2011). Энергетический потенциал метанообразования при мезофильном анаэробном разложении органической составляющей отходов. Восточно-европейский журнал передовых технологий, 4(6 (52)), 59–65.

2. Балабанова М. Ю., Скляднев Е. В., Панов С. Ю. (2014). Математическое моделирование процесса химико-термической переработки целлюлозосодержащих отходов. Химическая промышленность, 91(1), 11–14.

3. Волкова Г. С. (2002). Исследование процессов ферментации отходов переработки сельскохозяйственного сырья с помощью кислотообразующих бактерий для получения молочной кислоты и ее производных [Дис. канд. техн. наук]. Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии РАСХН.

4. Михеева Э. Р., Катраева И. В., Ворожцов Д. Л., Литти Ю. В., & Ножевникова А. Н. (2020). Эффективность двухфазного анаэробного сбраживания и физико-химические свойства органической фракции твердых коммунальных отходов, предобработанных в аппарате вихревого слоя. Прикладная биохимия и микробиология, 56(6), 619–626. https://doi.org/10.31857/S0555109920060112.

5. Панов С. Ю., Чернецкая А. А., Жучков А. В., & Рязанов А. В. (2013). Разработка научных основ технологии утилизации пищевых отходов методом анаэробного сбраживания. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 4(58), 200–204.

6. Цавкелова, Е. А., Егорова М. А., Петрова Е. В., & Нетрусов А. И. (2012). Образование биогаза микробными сообществами при разложении целлюлозы и пищевых отходов. Прикладная биохимия и микробиология, 48(4), 417. https://doi.org/10.1134/S0003683812040126

7. Al-Jumaily A. M., Meshkinzar A., Torres L. M. P. (2023). On the development of emulsion destabilization technologies for dairy industry. Food Engineering Reviews, 15(2), 215–229. https://doi.org/10.1007/s12393-023-09336-4

8. Andrewes P. (2022). Predicting the shelf-life of microbially-stabilised dairy products: What are the roles of stability studies, storage trials,‘accelerated’trials, and dairy science? International Dairy Journal, 125, 105239. https://doi.org/10.1016/j.idairyj.2021.105239

9. Antonelli J., Lindino C. A., Azevedo J. C. R. de, Souza S. N. M. de, Cremonez P. A., & Rossi E. (2016). Biogas production by the anaerobic digestion of whey. Revista de Ciências Agrárias, 39(3), 463–467. https://doi.org/10.19084/RCA15087

10. Arise A. K., Malomo S. A., Cynthia C. I., Aliyu N. A., & Arise R. O. (2022). Influence of processing methods on the antinutrients, morphology and in-vitro protein digestibility of jack bean. Food Chemistry Advances, 1, 100078. https://doi.org/10.1016/j.focha.2022.100078

11. Cai Y., Liang X., Liao X., Ding Y., Sun J., & Li X. (2010). High-yield hypocrellin A production in solid-state fermentation by Shiraia sp. SUPER-H168. Applied Biochemistry and Biotechnology, 160(8), 2275–2286. https://doi.org/10.1007/s12010-009-8728-3

12. Casallas-Ojeda M. et al., Perez-Esteban N., Cabeza I., Coboa M., Olaya-Rincon M., Caicedo-Concha D. M., & Astals S. (2024). Understanding the acidification risk of cheese whey anaerobic digestion under psychrophilic and mesophilic conditions. Heliyon, 10(5). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26476

13. Ergüder T. H., Tezel U., Güven E., & Demirer G. N. (2001). Anaerobic biotransformation and methane generation potential of cheese whey in batch and UASB reactors. Waste Management, 21(7), 643‑650. https://doi.org/10.1016/s0956-053x(00)00114-8

14. Guzel-Seydim Z., Seydim A. C., Greene A. K. (2000). Organic acids and volatile flavor components evolved during refrigerated storage of kefir. Journal of Dairy Science, 83(2), 275–277. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(00)74874-0

15. Guzel-Seydim Z., Seydim A. C., & Greene A. K. (2011). Global food losses and food waste: Extent, causes and prevention. FAO.

16. Hassan A. N., Nelson B. K. (2012). Invited review: Anaerobic fermentation of dairy food wastewater. Journal of Dairy Science, 95(11), 6188–6203. https://doi.org/10.3168/jds.2012-5732

17. Kalibekkyzy Z., Zhakupbekova S., Rebezov M., Nurgazezova A., Nurymkhan G., Kassymov S., Baytukenova S., Mateyeva A., Maizhanova A., & Kapshakbayeva Z. (2026). Valorization of dairy and plant by-products as functional ingredients in Kurt (Dried fermented milk product): Effects on nutritional, physicochemical, and sensory properties. Foods, 15(2), 369. https://doi.org/10.3390/foods15020369

18. Kong X., Zhang B., Hua Y., Zhu Y., Li W., Wang D., & Hong J. (2019). Efficient l-lactic acid production from corncob residue using metabolically engineered thermo-tolerant yeast. Bioresource Technology, 273, 220–230. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.11.018

19. Krause A. J., Miracle R. E., Sanders T. H., Dean L. L., & Drake M. A. (2008). The effect of refrigerated and frozen storage on butter flavor and texture. Journal of Dairy Science, 91(2), 455–465. https://doi.org/10.3168/jds.2007-0717

20. Kuczman O., Gueri M. V. D., De Souza S. N. M., Schirmer W. N., Alves H. J., Secco D., Buratto W. G., Ribeiro C. B., & Hernandes F. B. (2018). Food waste anaerobic digestion of a popular restaurant in Southern Brazil. Journal of Сleaner Production, 196, 382–389. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.05.282

21. Lu J., Langton M., Sampels S., & Pickova J. (2019). Lipolysis and oxidation in ultra‐high temperature milk depend on sampling month, storage duration, and temperature. Journal of Food Science, 84(5), 1045–1053. https://doi.org/10.1111/1750-3841.14514

22. Mao C., Feng Y., Wang X., & Ren G. (2015). Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 45, 540–555. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.02.032

23. Narisetty V., Adlakha N., Singh N. K. (2022). Integrated biorefineries for repurposing of food wastes into value-added products. Bioresource Technology, 363(127856). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127856

24. Nayik J.K., Ranade V. V. (2025). Valorisation of digestate: Characteristics, products, processes and potential. Chemical Engineering Journal Advances, (100887). https://doi.org/10.1016/j.ceja.2025.100887

25. Prazeres J. R., Carvalho F., Rivas J. (2012). Cheese whey management: A review. Journal of Environmental Management, 110, 48‑68. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.05.018

26. Saini R. K., Prasad P., Shang X., & Keum Y. S. (2021). Advances in lipid extraction methods - A review. International Journal of Molecular Sciences, 22(24), 13643. https://doi.org/10.3390/ijms222413643

27. Udourioh G. A., Solomon M. M., Okolie J., et al. (2025). A review of the valorization of dairy industry wastes through thermochemical, biological, and integrated processes for value‑added products. Food Science of Animal Resources, 45(2), 375–408. https://doi.org/10.5851/kosfa.2025.e2

28. Wang X., Zhao Z. (2022). Acid-induced gelation of milk: Formation mechanism, gel characterization, and influence of different techniques. Current Issues and Advances in the Dairy Industry. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.107893

29. Wu Q., Ong L., Yao S., Kentish S. E., & Gras S. L. (2023). Effect of ultrafiltered milk on the rheological and microstructure properties of cream cheese acid gels. Food and Bioprocess Technology, 16(8), 1728–1745. https://doi.org/10.1007/s11947-022-02991-1

30. Yao D., Sun L. C., Zhang L. J., Chen Y. L., Miao S., Cao M. J., & Lin D. (2024). Emulsion structural remodeling in milk and its gelling products: A review. Gels, 10(10), 671. https://doi.org/10.3390/gels10100671