Мембранная фильтрация была разработана для концентрирования и/или выделения твердых веществ из их смеси с водой. Обычными мембранными процессами являются обратный осмос (ОО), нанофильтрация (НФ), ультрафильтрация (УФ) и микрофильтрация (МФ). Применение ОО и УФ в молочной промышленности описано
в работах [104,145, 163, 209, 210, 297,307, 362, 407, 413,414, 473,497, 594, 601, 631, 732, 742]. Основные функциональные отличия между ОО, НФ, УФ и МФ заключаются в следующем:
• процесс обратного осмоса отделяет растворенные вещества с очень низким молекулярным весом (около 100), и через мембрану проходят только молекулы воды; таким образом, мембраны, по сути, непроницаемы (или незначительно проницаемы) для органических соединений и неорганических ионов, и поэтому важной характеристикой процесса становится осмотическое давление; система ОО работает при высоких давлениях, в пределах 1-6 МПа;
• процесс НФ иногда называют ультраосмосом; этот метод фильтрации селективно отделяет из водных растворов растворенные вещества с низким молекулярным весом; мембраны здесь более проницаемы, чем в ОО, но менее проницаемы, чем в УФ; системы НФ нормально работают при давлениях 2-3 МПа;
• в процессе УФ молоко лишь фильтруется, а мембраны способны удержать фракции с высоким молекулярным весом (более 2000); рабочие давления поэтому здесь гораздо ниже, чем при ОО (0,1-1 МПа); 
• процесс МФ осуществляется при бчень низких давлениях (0,01-0,05 МПа) и используется при отделении от водных растворов взвешенных частиц размером до 10 мкм.

Часть потока, проходящая через мембрану, носит название пермеат (ультрафильтрат), а часть потока, удерживаемая мембраной и содержащая растворенное вещество (вещества) и иные подлежащие концентрации компоненты — ретентат (концентрат). 

Растворенное вещество, таким образом, концентрируется, и в пермеате его будет меньше, чем в исходном продукте. В табл. 2.6 показана способность веществ, растворенных в цельном или обезжиренном молоке или сыворотке, проникать через различные мембраны. При ОО через мембрану проходит только вода, а при УФ — вода,
содержащая лактозу, небелковый азот, органические кислоты, минеральные вещества и водорастворимые витамины. В табл. 2.7 приведена сравнительная характеристика химического состава пермеата и ретентата цельного молока, обезжиренного молока и сыворотки, полученных методом ОО и УФ. 

В молочной промышленности методы мембранной фильтрации применяются в основном для ряда процессов [104, 139], например:

• ОО используется для концентрирования сыворотки, УФ — пермеата и в меньшей степени для молока при производстве йогурта;
• НФ — для частичной деминерализации/обессоливания сыворотки, УФ — пермеата или ретентата;

• УФ — Для концентрирования жира и белков (рис. 2.6) при нормализации молока для производства сыра или обогащении молока для йогурта. Также используется для концентрирования сыворотки при производстве КБС.

Таблица 2.6. Способность компонентов молока и/или сыворотки проникать через различные мембранные системы

Таблица 2.7. Химический состав (г на 100 г) пермеата и ретентата молока (цельного и обезжиренного) и сыворотки после концентрирования методом УФ и ОО

Рис. 2.6. Эффект концентрирования компонентов в ретентате, полученном ультрафильтрацией цельного молока
Примечание: содержание жира и белка возрастает с ростом фактора концентрирования, при этом содержание лактозы и минеральных веществ не изменяется; содержание минеральных веществ незначительно увеличивается, начиная с фактора 5. По [721].

МФ в основном используется для уменьшения количества микроорганизмов в обезжиренном молоке^ сыворотке или рассоле, а также для удаления жира из сыворотки, используемой для получения концентрата или изолята сывороточных белков. В работах [430, 431] описано приготовление йогурта из молока, сконцентрированного
с помощью 0 0 или УФ, в промышленных масштабах. Данные из работ [250, 862] по характеристикам йогуртов, полученных из молока, сконцентрированного методами ОО и УФ, представлены ниже.
• Использование цельного молока, сконцентрированного методом УФ до содержания сухих веществ 18-20 г/100 г, позволяло получить однородный сметанообразный йогурт с характерным кисломолочным вкусом; при последующей
обработке молока гомогенизации не требовалось.
• В процессе, подобном описанному выше, при доведении содержания лактозы до 2 г/100 г получался йогурт, превосходящий обычные сорта.
• Обезжиренное молоко, в котором сухой молочный остаток после концентрирования составлял 13 г/100 г, также пригодно для приготовления йогурта.
• При использовании обезжиренного молока, сконцентрированного методом ОО до содержания сухих веществ 15 г/100 г, подучали йогурт, по вязкости, кислотности и вкусу подобный йогуртам, выработанным из обезжиренного
молока, обогащенного СОМ до содержания сухих веществ 15 г/100 г.

Можно с уверенностью сказать, что в промышленном производстве йогурта ОО применяется значительно меньше, чем УФ. Тем не менее из ретентата, полученного методом ОО (после концентрирования объем молока становился меньше в два раза), получался йогурт, обладавший явно большей вязкостью и менее подверженный синерезису, чем йогурт из молока, обогащенного СОМ [215]. Согласно некоторым данным, при производстве йогурта из ретентата, полученного методом УФ, можно дать следующие рекомендации.
• В работе [74] рекомендуется значение СМО 13,23 г/100 г, но не приводится данных по содержанию жира; при восстановлении СОМ и последующем его концентрировании методом УФ до содержания сухих веществ 12 г/100 г и
добавлении обезвоженного молочного жира (ОМЖ) был получен йогурт, высоко оцененный дегустационной комиссией [610].
• В йогурте, изготовленном из УФ-ретентата, отношение общего содержания свободных аминокислот к содержанию белков, было равно 0,0375; при этом в йогурте не наблюдалось значительного различия размера частиц низкомолекулярных пептидов [657]. Концентрирование молока более чем в два раза вело к излишней плотности продукта; упругость сгустка также зависела от степени концентрирования [880]. 
• Для производства йогурта с небольшим содержанием лактозы (около 0,75 г/100 г) и натрия рекомендуется применять УФ (масса белковых частиц около 20 килодальтон) с последующим добавлением к ретентату (З-галакто-
зидазы; при этом для компенсирования потерь кальция при фильтрации следует добавлять пектин, фосфат кальция и яблочный концентрат [732}.
• На относительную вязкость УФ-ретентата обезжиренного молока при рН 6,0 влияет содержание белков и хлорида натрия в количестве 1 г /100 г [1].

Из обезжиренного молока, сконцентрированного УФ (масса белковых частиц около 10 килодальтон), получается йогурт с соотношением белка и лактозы 1,2; из обезжиренного молока, сконцентрированного ОО, высококачественный йогурт получается лишь при увеличении содержания белка на 35% [123]. Активность заквасок в УФ-ретентате оказывается выше в том случае, когда наблюдается повышение проводимости, а рН снижается незначительно несмотря на увеличение содержания молочной кислоты [525]. Такое поведение микроорганизмов объясняется буферной емкостью УФ-ретентата [622—626; см. также 25].