分散型乳製品バリューチェーン向け太陽光利用ヨーグルト加工装置の品質比較分析と経済的実現可能性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6878 (2023) この記事を引用

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農場門の牛乳処理施設が不足しているため、酪農家は生乳を販売しなければならず、その結果、経済性と品質が犠牲になります。 この研究では、太陽光発電を利用したヨーグルト加工装置で加工されたヨーグルトの品質を、既存の牛乳バリューチェーンおよびその技術経済的実現可能性と比較しました。 このために、4 つの異なる牛乳処理アプローチを比較する実験の調査が実行されました。 加工乳の品質属性には、脂肪 (5.283%)、無脂肪固形分 (9.0833%)、塩類 (0.6833%)、タンパク質 (3.8%)、乳糖 (4.1%)、総固形分 (14.383%)、pH ( 6.87)、密度 (1.031 kg/L)、および凝固点 (-0.532 °C) は標準化された範囲内であることがわかりました。 同様に、ヨーグルトの場合、これらの属性は、脂肪 (5.5%)、無脂肪固形分 (8.683%)、酸性度 (0.93%)、乳糖 (4.73%)、総固形分 (14.183%)、pH ( 4.3433)、密度 (1.039 kg/L)、離水 (9.87 mL/100 g)、S. サーモフィルス菌数範囲 (10.18 ～ 10.30 log cfu/mL)、および L. bulgaricus 菌数範囲 (10.26 ～ 10.34 log cfu/mL)。 さらに、天日処理ヨーグルトでは大腸菌群数が検出されなかったため、加熱、発酵、冷却の 3 つのプロセスを 1 つのユニットで実行するという現在のアイデアが支持されました。 使用したエネルギー源に基づいて、回収期間は 1.3 ～ 9 年、予想耐用年数は 15 年と計算されました。一方、製品利益の観点からは、回収期間は 1.78 年と予測されました。 ヨーグルト製造のための牛乳 1 リットルあたりの処理コストは、0.0189 米ドルと計算されました。 CO2 排出量の節約を考慮すると、太陽光発電ヨーグルト加工ユニットは、CO2 排出量ゼロで、動作期間中に 107.73 MWh の有用なエネルギーを生成できると予想されます。

ヨーグルトは最も古い発酵乳製品の 1 つであり、世界中で広く消費されています。 たんぱく質、カルシウム、ビタミンなどが多く含まれています。 S. サーモフィルスや L. ブルガリクスなどの乳酸菌を生成する細菌、または相互に補完的な代謝を行う他の細菌がヨーグルトを発酵させます1。 ナチュラルヨーグルトは、クルミのような繊細な風味と、滑らかで粘性のあるゲルのようなテクスチャーを持っています2。 乳酸菌は乳糖を発酵させ、乳酸、二酸化炭素、酢酸、ジアセチル、アセトアルデヒド、およびヨーグルトに独特の風味を与えるその他のさまざまな化合物を生成します3。 Hamdan ら 4 は、L. bulgaricus と S. Thermophilus の 1:1 混合物が牛乳中に高濃度のアセトアルデヒドを生成することを発見しました。 しかし、安全で高品質なヨーグルトを作るには細心の注意が必要です。 実際には、たとえ少量の汚染でもヨーグルトの品質が低下し、消費者の健康に重大な影響を与える可能性があります。

パキスタンは年間 5,966 万 6 千トンを超える牛乳を生産しており、インドと米国に次ぐ世界第 3 位にランクされています5。生産者の大部分は小規模農家 (80% 以上) です。 残念なことに、この牛乳のうち加工されるのは 5% だけで、残りは牛乳配達員によって扱われていますが、彼らは頻繁に不衛生であり、重大な健康上の懸念を引き起こしています。 処理施設が不足しているため、国内で生産される牛乳の総量の 15 ～ 19% が廃棄され、残りは不適切に処理されています6。 ヨーグルトはインド・パク亜大陸だけでなく世界中で人気の乳製品であり、米国では 1990 年から 2015 年の間にヨーグルト生産量が 8.3 × 106 トン増加しました7。 パキスタンでは、ヨーグルトが発酵乳製品全体の 70% 以上を占めています 8 が、賞味期限、香り、栄養成分を改善するために牛乳の発酵はあまり注目されていません。 表 1 は、牛乳 5 とヨーグルト 9 の上位生産国を列挙しています。

残念なことに、いくつかの化学的および微生物学的混入物は、加工全体およびサプライチェーンに沿って牛乳の品質を低下させます10、11、12、13、14。 発展途上国における牛乳の生産と流通システムは依然として非常に伝統的であり、主に非公式の民間部門によって支配されています。民間部門は、生産者、集荷業者、仲介業者、加工業者、貿易業者、乳製品販売店などのさまざまな業者で構成されており、それぞれが専門的な役割を果たしています。サプライチェーンの特定の時点で15. 実際には、マーケティングプロセスのあらゆる段階でテストはほとんど行われません16。 都市部の牛乳事業者の多くは粉塵や昆虫にさらされており、冷蔵設備を備えている事業所はほんの一握りです。 輸送コンテナは不衛生で、都市近郊の牛乳サプライチェーンでは牛乳の異物混入が大きな懸念となっている。 しかし、国内の顧客は価格に敏感であるため、ヨーグルトなどの生乳とその製品の需要は加工乳とその製品よりも高い17。 牛乳や乳製品は広く消費されているため、これらの商品は粗悪品の標的となる可能性があり、悪徳生産者が金銭的利益を得る可能性があります18。

パキスタンでは、入手できる加工ヨーグルト（ブランド入り）の量は非常に少なく、ヨーグルトは主に地元の人々（ガワラ）によって小規模（ブランドなし）で生産されており、地元ではダヒとして知られています。 ノーブランド（ダヒ）ヨーグルトは、ブランドヨーグルトよりも管理が緩い条件（牛乳の標準化、培養濃度、生存率、インキュベーション温度と時間など）の下で製造されます。 さらに、発酵乳製品に関する明確なガイドラインはありません。 その結果、現地市場のヨーグルト/ダヒの品質は店舗ごとに大きく異なります。 しかし、人々は食品の品質の重要性をますます認識するようになってきています19。 加工ヨーグルトの品質には多くの要因が影響します。 最も重要な変数の 1 つは、適切な温度プロファイルを維持することです。つまり、牛乳を 80 °C に加熱し、発酵中は接種した牛乳の温度を 40 ～ 45 °C に保ち、その後ヨーグルトを 8 °C 未満に急速冷却します20。 Grigorov21 はまた、ヨーグルトの離水を最小限に抑えるために、同様の保持時間で製品の劣化を引き起こす 90 ～ 95 °C ではなく、85 °C で 20 ～ 30 分間牛乳を低温殺菌することを推奨しました。 Rowland22 は、牛乳を 63 ～ 80 °C の温度でさまざまな時間加熱したときにどの程度のアルブミンとグロブリンが変性するかを調べたところ、80 °C で 30 分後には総アルブミンとグロブリンの 83.4% が変性したことがわかりました。

不衛生な動作条件の結果として微生物汚染（病原体）が発生する可能性があり、消費者に重大な健康リスクをもたらします。 一方、牛乳やヨーグルトの味、品質、安定性、保存期間に対する顧客の要求は高まっています。 その結果、一般の人々の意識を高めるために、市販の牛乳/ヨーグルトの品質評価分野における基礎研究が必要となります。 この目的のために、パキスタン第 3 の都市ファイサラーバードで、ブランド (工業用) およびブランドなし (地元生産) の牛乳/ヨーグルトのさまざまなサンプルが入手され、その品質が分析されました。

第二に、農場内に加工施設がないため、酪農家は高品質で傷みやすい生乳を地元の牛乳配達員や大規模な集乳業者に低価格で販売せざるを得ません23。 パキスタンでは、牛乳のほぼ 95% が非公式の販売ルートを通じて生の状態で販売されており、サプライチェーンのあらゆる段階で異物が混入する可能性があります 24。 牛乳の凝固や異物混入を特定するために牛乳の匂いを嗅いだり煮沸したりするなど、伝統的な品質基準が加工業者によって頻繁に使用されています。 加工は不衛生な環境で行われることが多い。 肉体労働、敷地の家賃、木材の燃焼から電気までの燃料費はすべて生産コストに含まれます。 たとえば、容量 200 L の農場冷却タンクの価格は 3,313 米ドル、容量 1,000 L の冷却タンクの価格は 6,812 米ドルです。その結果、牛乳は伝統的に氷 (汚染されている可能性がある) と一緒に非食品グレードの容器に保管されています。 )、特に夏季に腐敗を防ぐための冷媒として使用されます16。 そのため、乳製品生産者が農場で乳製品を加工するために冷却装置や低温殺菌装置を設置する能力は、高額な調達費と運営費によって妨げられています。

継続的な操業のための化石燃料エネルギー投入の使用は、牛乳処理施設を備えた酪農場のコストのかなりの部分を占めています。 乳業は人為起源の温室効果ガス (GHG) の約 4%、または年間約 12 億トンの CO2 を生成します25。 乳製品加工における一次エネルギー源としての化石燃料の広範な使用は汚染の一因となっており、乳製品加工を再生可能エネルギー源に移行するための即時行動が必要です26。 パキスタンは、7.6 ヘクタールで 1 日あたり 19 MJm-2 の太陽エネルギーを大量に受け取り、DNI は平均 5 ～ 7 kWh m-2 d-1 です27。 パキスタンでは10億人以上（56％）が農村部や僻地に住んでおり、エネルギー需要を満たすために木材、木炭、糞粕、農業残渣、または炭素ベースの燃料に依存している。 5 億 1,000 万人以上 (27%) がまだ国の送電網に接続されていませんが、接続されている送電線は住宅専用の居住地域に限定されており、酪農経営の大部分は村の外で行われています28。 一言で言えば、農村地域向けに自給自足的で実行可能なオフグリッド エネルギー ソリューションを開発することが時代のニーズです。 したがって、生乳の分散処理のために太陽光発電支援ヨーグルト処理ユニットが開発されました20,29。 最終的な最終製品はヨーグルトですが、開発したシステムは生乳からヨーグルトを加工するもので、ヨーグルト発酵の前提となる生乳を加熱することができます。 生乳の品質がヨーグルトの品質に影響を与えるため、輸送中に生乳への異物混入が予想されるためです（従来の慣行）。 したがって、現在の研究では、家庭や地元の店でヨーグルト作りに使用されている地元で入手可能な牛乳と比較するために、ヨーグルトと生乳の品質分析が実施されました。 さらに、農村社会への適応のためのシステムの経済的実現可能性も検討されています。 最小限の運営経費で高品質の製品を処理できる技術は、搾乳後の損失を減らすだけでなく、エンドユーザーに収入をもたらすことが期待されています。

パキスタンのファイサラバード農業大学（UAF）エネルギーシステム工学科は、開発とディーセントワーク国際センター（ICDD、ドイツのカッセル大学、乳業産業）と協力して、完全なヨーグルト加工品を開発、製造した。ユニット。

ヨーグルト加工装置の設計とそのエネルギー源の選択は、主にメンテナンス、エネルギー効率、特に製品のライフサイクルや環境への影響などの基本的な要素に依存します。 図 1 は、生産現場でタイムリーかつ制御された方法で生乳を処理してヨーグルトに発酵させるように設計された、太陽光発電を利用したヨーグルト処理ユニットを示しています。 これは、ステンレス鋼 (食品グレード SS 304) 製の 50 L 容量の円筒形発酵チャンバー (直径 560 mm、深さ 230 mm) で構成され、加熱コイル (長さ 3.5 m、幅 40 mm、幅 12.5 mm) で囲まれています。高い）。 チャンバーの底面にはピロープレートが配置されており、冷却のために蒸発器として機能します。 さらなる技術的詳細については、Husnain et al.20 を参照してください。

ソーラーアシストヨーグルト加工ユニット20。

操作手順を簡単に説明するために、図 2 にコンポーネントの接続を詳しく説明するために開発したユニットの概略図を示します。 ヨーグルト処理ユニットは、太陽真空管コレクター (2.46 m2) から熱を受け取る 100 L 容量の温水貯蔵タンクと結合されました。 貯湯タンクと真空管コレクターの間のプロピレングリコール溶液（50体積％）を循環させるために遠心ポンプ（Wilo-SP106）を設置した。 ポンプは 3 つの可変速度 (600 L/h、900 L/h、1100 L/h) で動作でき、最大速度では 80 W の電力が必要です。 貯湯タンク出口とヨーグルト加工装置入口の間にステンレス製遠心水循環ポンプ（WB50/025D、50L/min.）をもう1台設置し、角型スパイラルコイル熱交換器に熱水を循環させました。牛乳の温度を80℃まで上げます。 システムは密閉されているため、高圧の上昇を防ぐために膨張容器 (12 L) が組み込まれていました。 真空チューブコレクターから出る水-グリコール溶液と貯湯タンク下部の水の温度差が 5 °C を超えると、コントローラーは循環ポンプ (Wilo-SP106) をオンにし、必要に応じてオフにします。差が 5 °C 未満であるか、貯蔵タンク内の水温が 90 °C を超えている場合。

太陽光利用ヨーグルト加工装置の実験セットアップレイアウト20。

この研究は、徹底した品質比較を行うために、地元のショップヨーグルト、自家製ヨーグルト、ブランド/企業加工ヨーグルト、および太陽光発電加工ヨーグルトの品質を評価するために、パキスタンのファイサラバード地域で実施されました。 実験プロトコルには、3 つの異なる量の生乳 (50、40、30 L) を 36 rpm の連続撹拌速度で 80 °C まで加熱することが含まれており、処理する量に応じて約 140 ～ 80 分かかりました。 その後、手動バルブの監視下で開ループの加熱コイルに水道水を流し、加熱した牛乳の温度を牛乳の発酵に推奨される 43 °C まで下げました。 この温度でスターターカルチャーに接種（牛乳の体積の 2 ～ 3%）し、必要な pH（4.85 ～ 4.5）に達するまで、熱水循環を制御する電磁弁によって温度を 5 ～ 6 時間維持しました。 。 このプロセスの後、冷蔵システムをオンにしてヨーグルトの温度を 8 °C 以下に下げました。これは細菌の活動を減らして保存期間を延ばすために不可欠であり、加工乳の量と量に応じて通常 48 ～ 103 分かかりました。スターラー速度 (36、18、6 rpm)。 真空チューブコレクターの入口と出口、貯湯タンクの上部と底部、および発酵室内の温度は、測温抵抗体 (RTD) ベースの温度センサーを備えたコントローラーを使用して測定されました。 牛乳の発酵中に、ポータブル pH メーター (ML1010) を使用して pH を測定しました。 設置された PV システムの性能を調べるために、クランプ メーター (Fluke 345PQ) と日射計 (METEON) が使用されました。 さらに、各実験後に CIP を実行しました。 このプロセスの詳細な説明は、Husnain et al.20 によって報告されています。

この研究では、超音波牛乳分析装置 (Master Pro P1、Milkotester Ltd.) を使用して、添加水 (W、%)、凝固点 (Fp、°C)、温度 (T、°C)、密度 (ρ) などの物理的特性を測定しました。 、kg/L) および pH、および化学的属性: 脂肪 (Ft.、%)、タンパク質 (Prot.、%)、塩類 (Sal.、%)、無脂肪固形物 (SNF%)、および乳糖 (Lac. , %)、1 時間あたり 50 サンプルの検査能力を備えています。 牛乳分析装置を使用して、無作為に選択した牛乳/ヨーグルト販売店 (20 件)、自家製ヨーグルト用牛乳 (20 件)、ブランド牛乳/自社加工牛乳 (10 件) の牛乳の品質を検査しました。 滅菌条件下で、ファイサラーバードの選ばれた地元の商店と牛乳配達員から、牛乳とすでに発酵したヨーグルトの 3 つのサンプルが同時に収集されました。 各ブランドの牛乳とヨーグルトのサンプルから 3 つのランダムなサンプルが得られました。 ノーブランドのサンプルは消毒されたバイアルに集められましたが、ブランドのサンプルは元のパッケージに保管されました。 サンプルは収集後、できるだけ早くテストされました。 新たに開発されたソーラーヨーグルト加工装置で加工されたヨーグルトの品質が、収集されたデータと比較されました。 すべてのデータは重複して収集されました。 図 3 は、調査手法のフローチャートを示しています。 ソーラーヨーグルト加工装置の経済的実行可能性は、品質分析後の定額法とリットル当たりの牛乳加工コストを使用して研究されました。 さらに、新しく開発された機械の耐用年数にわたる炭素排出量の削減が計算されました。

研究方法のフローチャート。

ヨーグルト発酵に使用される牛乳の品質をチェックするために、超音波牛乳分析装置（Milkotester Ltd.のMaster Pro P1）が利用されました。 牛乳分析装置は、結果の正確さと信頼性を確保するために、パキスタンのファイサラバード農業大学（UAF）の国立食品科学技術研究所（NIFSAT）の標準プロトコルに従って地元の牛群用に校正されました30。 W、Fp、T、ρ、pH、Ft、Prot.、Sal.、SNF、Lac などの物理化学パラメータは数多くありますが、 超音波乳分析装置で検査され、校正目的で臨床検査も行われました。 牛乳/ヨーグルトの脂肪含有量は、Pearson 31 によって報告されているように、Gerber 法を使用して測定され、タンパク質含有量は、AOAC 32 によって報告されているように、ケルダール法を使用して測定されました。 総固形分 (TS、%) は AOAC32 を使用して決定され、特定の乳サンプルに存在する SNF 含有量を決定するために Harding33 技術が使用されました。 牛乳サンプルの乳糖含有量は、次の式 24 によって調べられました。

AOAC32 に従って、灰分 (%) は 550 °C のマッフル炉で重量法を使用して測定されました。 メチレンブルー還元試験は、牛乳/ヨーグルトの衛生状態を判定するために使用されました。 標準的な技術を使用して、水、デンプン、尿素、ホルマリン、過酸化水素、洗剤、油、サトウキビ糖などのさまざまな牛乳/ヨーグルトの混入物が検出されました 34。

Hassan et al.35 によって記載された手順は、ヨーグルトサンプルからホエーを分離するために使用されました。 5 °C で、25 mL の固まったヨーグルトを 50 mL 遠心分離管に徐々に移し、凝固物の破壊を最小限に抑えました。 遠心分離管の重さを量り、エッペンドルフ（５８０４Ｒ）遠心分離機（ドイツ製）で３３９４ＲＰＭで２０分間遠心分離した。 遠心分離管では、凝塊の上部で分離されたホエーの量がミリリットル単位で測定されました。 ホエー離水は、上澄み液の重量分率(mL/ヨーグルト100g)を使用して測定した。 ホエーの分離は、分離されたホエーの量に比例し、逆も同様でした。

S. サーモフィルス、L. ブルガリクス、および大腸菌群の総生菌数は、Coppuccino および Sherman36 の標準平板計数法を使用して測定されました。 Harrigan と McCance 37 によれば、S. サーモフィラス、L. ブルガリクス、および大腸菌群の生菌数を測定するために利用された選択培地は、それぞれ中性赤チョーク乳糖寒天、酢酸寒天、およびバイオレート赤胆汁寒天でした。

すべてのデータは 3 回取得され、コンピューター プログラム MINITAB (2018) を使用してさまざまなパラメーターで得られたデータを統計的に検査するために、フィッシャーの分散分析が使用されました。 治療の平均値間の差は、確率レベル 0.05 の最小有意差 (LSD) 検定を使用して比較されました。 (Steel et al. 1997)38.

技術的な健全性に加えて、経済的な実行可能性も、牛乳の生産者や加工業者が開発された技術をうまく導入できるかどうかの重要な要素です。 その結果、定額法を使用して、ヨーグルト加工ユニット20は回収期間と使用可能期間中に生じる収益に基づいて経済的に評価されました39。 固定費には、初期投資、減価償却費 (式 2)、利息 (式 3)、保険 (2%)、税金 (1.5%)、住居費、および人件費、営業経費 (10%) などの運営経費が含まれます。 )、修理およびメンテナンス料金 (25%)。 牛乳生産者が農場レベルで開発された技術を利用して牛乳を処理すると想定されていたため、住居費と人件費は含まれていませんでした。

残存価値は元の投資の 10% に設定され、予測耐用年数は 15 年に設定されました。 次の式は、パキスタンの年利 (7%) を係数として使用して利息を計算するために使用されます。

回収期間は損益分岐点アプローチを使用して計算されました。 Munir et al.40 によれば、損益分岐点とは、総コスト (固定コストと運用コスト) と収益 (累積燃料節約量と製品利益の観点から) が等しくなるまでにかかる時間であり、その後、機械が収入を生み出し始める燃料節約の観点から。 気象条件は 1 日の有効労働時間に影響を与えるため、すべての経済見積もりは時間ベースで行われました。

開発されたヨーグルト加工ユニット 20,29 は完全に太陽光発電であるため、二酸化炭素の排出はありません。 化石燃料ベースのエネルギー生成資源と比較して、CO2 排出量を見積もるための炭素節約調査も実施されました。 このため、開発された技術がその耐用年数全体にわたって動作時間を通じて使用する総エネルギーが計算され、同じ量のエネルギーを生成するために使用された場合の非再生可能エネルギー資源の CO2 排出量が計算されました。 Quaschning41 は、さまざまな化石燃料を使用したエネルギー生成の kWh あたりの CO2 排出量を公表し、これを使用して、等価エネルギー生成に対してこれらの燃料によって生成される CO2 排出量を計算しました。

太陽熱処理牛乳以外の供給源から収集された牛乳サンプルの平均 pH 値は 6.53 ～ 6.60 の範囲であり (表 2)、正常範囲内であることが判明しました。 数人の研究者が同様の発見を報告しました42,43。 純粋な生乳の腐敗性を高めるために氷、水、またはその他の化学保存料を添加すると、市場の牛乳サンプルの pH 値が低下する原因となる可能性があります 24。 太陽光発電処理された牛乳 (6.87 + 0.0404) は、不純物がなく純粋で新鮮であったため、pH が最も高く、規定の pH に最も近かった。 一方、すべてのブランドヨーグルトおよび太陽光加工ヨーグルトサンプルの pH は 4 を超えていましたが、地元の店や手作りヨーグルトサンプルの pH は 4 よりさらに低く、結果として酸性度が増加しました (表 3)。 実際、発酵をチェックしないと pH が低下し、酸性度が増加します。 さらに、ノーブランドのヨーグルトには適切な培養投与メカニズムが欠如しており、最終製品の酸性度に重大な影響を与えます44。 天日処理ヨーグルト (4.3433 + 0.0521) は pH が最も高く、汚染物質が含まれていない純粋で新鮮なため、規定の pH に最も近かった。

表 2 に示すように、地元で販売されている牛乳の凝固点範囲は - 0.449 ± 0.00404 から - 0.463 ± 0.00115 の範囲で最も広く、ヨーグルト発酵用の会社処理牛乳 (- 0.518 ± 0.00115) と太陽光発電加工乳 (- 0.532 ± 0.532 ± ) が続きます。 0.000577)。 個性、品種の違い、後天的な酸性度、初乳、乳腺炎、授乳期、栄養、季節はすべて牛乳の凝固点に影響を与える可能性があります45。 また、現在の調査では、地元市場の牛乳にはより高い割合の添加水が含まれていることが判明したため、地元市場の牛乳に混合水が存在することは、サンプルの凝固点がより高いことに関連している可能性があります。

地元市場で入手可能な牛乳とヨーグルトでは、それぞれ (1.028 ± 0.0052 ～ 1.029 ± 0.00231) と (1.034 ± 0.00173 ～ 1.036 ± 0.000577) の最低密度範囲が報告されており、これはおそらく生乳中の水分の希釈によるものと考えられます 24。 表 2 と表 3 に示すように、自社で加工した牛乳とヨーグルト (1.031 ± 0.000577) と (1.04 + 0.00115)、および太陽光発電で加工した牛乳とヨーグルト (1.031 ± 0.000577) と (1.039 ± 0.000577) は、それぞれ次のように決定されました。 1965 年のパキスタン純粋食品規則の指定された牛乳の密度範囲との一貫性を高める必要があります46。 保存期間を長くするために結合剤や保存料が含まれていることが、自社加工ヨーグルトの密度を高めている原因である可能性があります。

地元の牛乳店、牛乳配達員、および企業の加工乳の検査中のサンプルの温度は 28.9 ～ 30.3 °C の範囲で、サンプルの平均温度は 29.2 °C であり、牛乳分析装置の検査条件内であることが確認されました 30。

さまざまな化学的特性に基づいて、ソーラーヨーグルト加工の加工乳およびヨーグルトの結果を、地元の市場および企業の加工乳およびヨーグルトのサンプルと比較し、それぞれ表 2 および 3 に示します。

表 2 と表 3 に示すように、地元で入手可能な牛乳とヨーグルトの脂肪率はそれぞれ 1.783 ～ 2.683% と 1.8833 ～ 2.547% の範囲であり、調べた他のすべての供給源の中で最も低い値を示しており、牛乳とヨーグルトの脂肪率が最も低いことを示しています。脂肪率。 これらの脂肪％の減少の所見は、牛乳と水の混入の疑いによるものである可能性があります。 以前の研究では、同じ異物混入の原因が説明されていました 24,47。 牛乳の脱脂または部分脱脂は、地元の牛乳加工工場で頻繁に行われており、その結果、牛乳およびその派生物の脂肪含有量が低くなります。 脂肪率の変動は、品種、飼料の種類と品質、環境要因、遺伝的多様性の違いによっても引き起こされる可能性があります 33,47。 一方、太陽光発電で加工された牛乳とヨーグルトは、業界標準と同様の 5.3% と 5.5% の脂肪率が最も高く、企業向け加工牛乳とヨーグルト (3.5%) がそれに続きました 46。

企業向け加工乳および太陽光加工乳/ヨーグルトの SNF (%) は、牛乳ではそれぞれ 8.68% と 9.0833%、ヨーグルトでは 8.783% と 8.683% と決定されており、これは 1965 年のパキスタン純粋食品規則の推奨基準内に収まります46。 保存期間を長くし、濃厚なヨーグルトを製造するために防腐剤と結合剤が含まれていることが、自社加工ヨーグルトの SNF 値が大きくなる原因となっている可能性があります。 Awan46 によると、地元市場の牛乳とヨーグルトの SNF (%) の結果は法定最低要件を満たしていませんでしたが (表 2、3)、牛乳 (8.50%) よりも大幅に低かったです。 これらの発見は、凝固点がより高いため、地元市場の牛乳サンプルは一貫して水または牛乳で汚染されていることを示した最近の研究の発見と一致しています。

牛乳には、リン脂質、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどの塩の塩化物、炭酸塩、重炭酸塩が含まれています。 牛乳分析装置を使用して牛乳サンプル中の全体的な塩分濃度を測定したところ、検査したすべてのサンプルで 0.3833 ～ 0.6833 パーセントの範囲で塩が検出されたことが判明しました。 表 2 に示すように、地元の商店や牛乳屋が販売する牛乳では塩分の割合が低く、業務用牛乳や太陽光発電で加工された牛乳では最も高い塩分割合が見られました。 この発見は、アブド・エル・サラーム氏とエル・シビニー氏の所見と同等であることが判明した48。

表 2 に示すように、天日処理乳 (3.8%) のタンパク質含有量 (%) が最も高く、次いで企業の加工乳 (3.2%)、地元市場の加工乳 (2.1 ～ 2.2%) でした。太陽光発電および市場で加工された牛乳は品質基準を満たしていることが判明しました46。 ただし、タンパク質含有量 (%) の違いは、加工品質と管理アプローチに起因する可能性があります。

表 2 に示すように、乳糖レベルは、ヨーグルト製造用のソーラーヨーグルト加工装置で利用される牛乳で最も高く (4.1%)、地元市場の牛乳で最も低く (2.4 ～ 2.6%) しました。 自社加工乳の乳糖含量は4.0%と測定されました。 Sharif ら 49 は、無症候性乳腺炎の重症度をパキスタンの水牛乳の乳糖 (%) の低下と関連付けていますが、今回の研究に最も適切な理論的根拠は、牛乳の異物混入であり、その結果、地元市場の牛乳の乳糖レベルが低下している可能性があります。 。

地元の商店と牛乳屋が供給した牛乳とヨーグルトの総固形分含有量は、牛乳がそれぞれ 7.483 ± 0.188% と 8.2867 ± 0.0924%、ヨーグルトが 7.483 ± 0.193% と 8.183 ± 0.130% で、会社の平均値よりもかなり低かったです。加工乳およびヨーグルト（12.2 ± 0.24% および 12.3 ± 0.24%）、太陽加工乳およびヨーグルト（14.383 ± 0.0606% および 14.183 ± 0.0722%）は、品質基準を満たしていませんでした46。 表 2 および表 3 に示すように、標準化 TS (%) が最も高かったのは、太陽光発電で加工された牛乳とヨーグルトで、次に企業で加工された牛乳とヨーグルトでした。

ヨーグルトの微生物学的品質評価は、主に次の 2 つの側面に関係します。(1) 健康被害から消費者を保護すること、および (2) 予想される保存期間を通じて材料が微生物による劣化を受けないことを保証すること50。 実際には、これは加工中に衛生上の予防措置がどの程度取られたかを判断するのに役立ち、製品の保存期間の予測や潜在的な健康リスク (病原体) の検出が可能になります。

ブランドヨーグルトのサンプル中に大腸菌群 (6 ～ 15 cfu/mL) が存在することが微生物検査によって発見され、業界内でも何らかの虐待 (10 cfu/mL または 1 log cfu/mL 以下である必要がある) があったことを示しています。 しかし、地元のショップのヨーグルトサンプルでは、​​より多くの数 (1.93 ～ 2 log cfu/mL) および (1.34 ～ 1.43 log cfu/mL) の大腸菌群が検出され、高レベルの誤った取り扱いが示されました。 大腸菌群のレベルが高くなったのは、製造プロセス中に存在した不潔な環境が原因である可能性があります。 さらに、この数値には後処理段階での汚染が含まれている可能性があります。 一方、太陽光発電を利用したヨーグルト加工装置で製造されたヨーグルトには大腸菌群の痕跡はなく、高いレベルの衛生的な加工条件が示されています。 これは、汚染のリスクを軽減するために単一の容器内ですべてのプロセス（加熱、発酵、冷却）を実行するという現在の研究の考えを裏付けるものである。 加熱・発酵・冷却の全ての工程を1つの容器で行う3 in 1のコンパクトシステムです。 そのため、従来のように加熱された牛乳を発酵容器に移す際に汚染が生じる可能性が低くなります。 さらに、チャンバーは異物の混入を避けるために完全に密閉されています。 2 番目の理由は、工業用加工ヨーグルトのサンプルが、包装中に汚染の可能性がある包装された製品から採取されたものである可能性があります。 一方、現在の研究では、新鮮なサンプルが発酵室から採取されました。 一方、地元の市場の場合、不適切かつ標準以下の保管および取り扱い施設のため、汚染の可能性が高いことは避けられません。

ヨーグルトの品質を最適化するには、S. サーモフィラスと L. ブルガリクスの比率を 1:1 にする必要があります。 実際、前者は主に酸味の生成に関係しており、後者は主に酸味に加えて風味を生み出す成分（揮発性脂肪酸、酢酸、アセトアルデヒド、エタノールなど）の生成に関係しています。 さらに、人間に保証された医学的利益を達成するには、発酵乳中のプロバイオティクス微生物の最小利用可能量は約 9 ～ 10 log cfu/mL でなければなりません 51。 ヨーグルト培養の評価 (表 4) により、ブランドのない (地元のショップと自家製ヨーグルト) サンプルには、一般的なヨーグルト種 (S. サーモフィラスと L. ブルガリクス) の両方の乳酸生成細菌が含まれているものの、その数は許容範囲よりも低いことが判明しました。 しかし、S. サーモフィルスや L. ブルガリクスの増殖が時折見られることは、培養の発達が制御されていない状態であることを示しています。 さらに、ブランド付きサンプル中のヨーグルト培養物の総数は、ブランドなしのサンプルよりも高く、Ouwehand51 によって報告された許容範囲内であることがわかりました。 対照的に、管理されていない状態と生存率の低下が、ブランド化されていないヨーグルト サンプルの数値が低くなる理由である可能性があります。 ソーラーヨーグルト加工装置で製造されたヨーグルト中の S. サーモフィルスと L. ブルガリクスの比率は 1:1 に近いことが判明し、発酵中の適切な温度制御により、ヨーグルト培養物の総数はノーブランドのサンプルよりも高かった。ただし、表 4 に示すように、ブランド/企業が加工したサンプルよりも少ないです。これらの結果は、現在の設計を裏付けるものでした。

太陽光発電処理された牛乳およびヨーグルトと比較して、地元市場の牛乳およびヨーグルトのサンプルのみが異物混入について評価されました。 図 4 は、地元市場の牛乳とヨーグルト、および太陽光発電で加工された牛乳とヨーグルトのサンプルからの混入物の検出結果を示しています。 その結果、地元市場の牛乳とヨーグルトのサンプル (地元商店の牛乳/ヨーグルト、牛乳配達人の牛乳/ヨーグルト) は、水 (70 および 95%)、尿素 (50 および 70%)、ホルマリン (10 および 40%) で高度に汚染されていることがわかりました。 、およびサトウキビ砂糖 (60 および 80%)。 牛乳中には、H2O2 (2%)、油 (1%)、および洗剤 (1%) の混入物と同様に、地元の店で入手した牛乳とヨーグルトのサンプルからわずか 6% のデンプン (2%) が検出されました。地元の市場で販売されているヨーグルトのサンプル。 ヨーグルトは同じサンプル牛乳から発酵されたため、牛乳と牛乳配達員が供給する牛乳からのヨーグルトの混入レベルは同じです。 太陽熱処理した牛乳とヨーグルトのすべてのサンプルには、異物が含まれていないことが確認されました。

地元市場の牛乳および太陽光発電加工牛乳における牛乳の異物混入。

従来の牛乳サプライチェーンにおける悪徳者による異物混入は非常に広範囲に行われており、多くの著者によって記録されているため、この研究結果はそれらと一致していることがわかります11、12、16、23、52。

太陽光利用ヨーグルト加工装置の経済的実現可能性は、両方のエネルギー源、すなわち牛乳加熱用の真空ソーラーチューブコレクタを使用した太陽熱とヨーグルト/牛乳冷却用の太陽光発電システムからの再生可能エネルギー生成の観点から包括的な経済分析を実施することによって決定されました。 必要なすべてのアクセサリと設置費用を含む、ソーラー支援ヨーグルト加工ユニットの総コストは 2,412 米ドルでした。 表 5 に、経済調査に使用できるデータを示します。

初期投資後、すべての経済的構成要素と計算の時間当たりの個別および全体のコスト見積もりにより、ヨーグルト加工ユニットの稼働には 1 時間あたり 0.105 米ドルが必要であることが判明しました。 損益分岐点分析は、他の従来型リソースとの関連で回収期間を評価するために、入手可能な経済データに基づいて実行されました。 各シナリオの損益分岐点は、図 5 に示すように、有効労働時間を経費に対してプロットすることによって計算されます。

燃料節約に関連したヨーグルト加工装置の損益分岐点分析。

ヨーグルト加工ユニットの回収期間は、ガソリン、ディーゼル、電気を同等のエネルギー生成に利用した場合、3,499 (約 1.3 年)、5,619 (約 2.08 年)、有効労働時間 24,292 (約 9 年) と予測されました。回収期間後、ヨーグルト加工装置の予測寿命にわたって生み出される総収益は、ガソリン、ディーゼル、燃料源に基づいて、それぞれ 27,196 米ドル、16,568 米ドル、2,350 米ドルと推定されました。そして電気。 ヨーグルト製造のための牛乳 1 リットルあたりの処理コストは、9 時間で処理される 50 L のバッチに基づいて、太陽光発電技術を使用して 0.0189 米ドルと計算されました20,29。これは、牛乳加工業者の推定処理コストよりも大幅に低くなります。 1 リットルあたり 0.2 米ドルです53。

パキスタンの田舎の牛乳配達人は、必要な処理施設と保管施設が不足しているため、1 リットルあたり 0.42 米ドルで牛乳を販売しています。 牛乳配達人は、太陽光発電のヨーグルト加工プラントの助けを借りて、牛乳を付加価値のある製品である撹拌ヨーグルトに変えることができます。 パキスタンでは、ブランドのパック入り撹拌ヨーグルトの価格は 1 キログラムあたり 1.7 米ドルです。 ソーラー式ヨーグルト加工機で作ったヨーグルトの価格が1kgあたり0.7ドル（安いブランドヨーグルトだと1kgあたり1ドル）とします。 消費者に優しい価格設定であり、牛乳屋にとってかき混ぜヨーグルトをこの価格で販売するのは簡単です。 天日処理されたパッケージヨーグルト 1 キログラムの総コストは、生乳価格 1 キログラムあたり 0.42 米ドル、加工コスト 0.0189 米ドル、および包装コスト 1 キログラムあたり 0.1 米ドルを加算して、1 キログラムあたりの総コスト 0.54 米ドルと見積もられます。キログラム。 したがって、地方の酪農家は 50 L のヨーグルト加工で 1 kg あたり 0.16 米ドル、または 1 日あたり 8 米ドルを節約でき、システムの全コストを 1 日あたりの節約額で割ることにより、投資回収期間は 533 日 (1.78 年) と計算されました54。図6に示すように。

製品利益に関連したヨーグルト加工ユニットの損益分岐点分析。

基本的に、このシステムは、産業規模の生産ではなく、太陽エネルギーを使用する生産現場で中小規模の牛乳生産者に対応するように設計されています。 現在の研究では、15 本の真空チューブコレクター (ETC) で 50 L のヨーグルトまたは牛乳を処理するための 100 L の水容量を持つ貯蔵タンクのサイズが正当化されており、これは分散型アプリケーションに適切なサイズです。 ただし、それに応じて貯蔵タンクと真空管コレクターのサイズを再計算することで、設計を拡大できます。

ヨーグルト加工装置は、地球温暖化と気候変動の観点から、推定ライフサイクル 40,500 時間 (15 年) を通じて CO2 排出量の削減についても分析されました。 ソーラーヨーグルト加工ユニットは、季節を問わず、農場での牛乳/ヨーグルト加工のために 1 時間あたり約 2.66 kW の太陽光エネルギーを生成できます。 これらの発見に基づいて、太陽光発電ヨーグルト加工機は、その動作寿命全体を通じて約 107.73 MWh の有用なプロセス エネルギーを生成できることが予想されます。 図 7 には、さまざまな非再生可能エネルギー資源による炭素排出量とエネルギー生成の結果がグラフで示されています。 図 7 に示すように、燃料源として木材を使用すると (@ 0.39 kg CO2/kWh)、42.015 トンの CO2 が排出され、次に石炭 (@ 0.34 kg CO2/kWh) が 36.63 トン、ディーゼル (@ 0.27 kg CO2/kWh) が続きます。 ) 牛乳/ヨーグルト処理 (107.73 MWh) に相当するエネルギー生産量として、29.01 トン、灯油 (@ 0.26 kg CO2/kWh) 28.01 トン、天然ガス (@ 0.20 kg CO2/kWh) 21.55 トン。 この研究では、太陽光発電を利用したヨーグルト加工装置が、特に二酸化炭素排出削減の観点から、地球温暖化問題を首尾よく解決できる牛乳/ヨーグルト加工のグリーンソリューションとなる可能性があることがわかりました。

ソーラーヨーグルト加工装置によるCO2排出量の削減。

結果は、太陽光発電支援ヨーグルト加工ユニットが、現地で採用されている牛乳処理およびヨーグルト加工方法と比較して、品質重視の製品を提供したことを示しています。 さらに、太陽光発電技術のおかげで、これらのプロセスに必要なエネルギーも削減され、運用コストの削減に役立つだけでなく、気候にもプラスの影響を与えます。 このような新しい太陽光発電を利用した乳製品加工技術の推進は、サプライチェーンにおける生乳の損失を減らし、農村地域の生計を向上させるのに役立ちます。

牛乳とヨーグルトは、あらゆる年齢や性別の人々にとって栄養価の高い自然な食事ですが、今回の研究結果は驚くべきものであり、この主張と矛盾しています。 研究結果によると、消費者は地元の牛乳会社や自宅に牛乳を配達する牛乳配達員から白い水のような液体を与えられている。 テストされたサンプルのかなりの数には、悪臭、奇妙な色合い、薄い食感、栄養価の大幅な低下、および特に水による広範な混入が見られました。 牛乳のバリューチェーンに関わる全員が、直接的または間接的に、しかし非常に意図的に何らかの方法で牛乳を汚染したと考えるのが合理的です。 同様に、同社は加工乳とヨーグルトのサンプルを包装したが、これらのサンプルには異物は含まれていないことが判明したが、栄養価は標準範囲の下限に向かう傾向にあった。これは、ほぼすべての牛乳およびヨーグルト加工会社が販売前に副産物のために牛乳の一部を取り除いたためである。消費者に高い価格で提供します。

地元の市場や企業が加工した牛乳と比較して、生乳は、現場に設置された太陽光発電のヨーグルト処理装置を使用してすぐに処理でき、品質と消費者の受け入れパラメータのすべてにおいて優れた結果が得られました。 純粋で新鮮な牛乳は UAF 酪農場からすぐに調達されたため、太陽光で加工された牛乳とヨーグルトには異物は混入しておらず、100% 衛生状態でした。 エネルギーに関しては、損益分岐点調査により、同様のエネルギー出力に使用される非再生可能資源の種類に応じて、ソーラーヨーグルト加工装置は 1.3 ～ 9 年で回収できることが明らかになりました。 製品利益に基づいて、投資回収期間は 1.78 年と予測されました。 ヨーグルトを製造するために 1 リットルの牛乳を処理するコストは、0.0189 米ドルと計算されました。 太陽光発電を利用したヨーグルト加工ユニットは、炭素排出ゼロで約 107.73 MWh の電力を生成するため、環境に有益な技術となります。 つまり、開発されたソーラーヨーグルト加工装置は、地元の牛乳バリューチェーンの問題に対する現実的な解決策を提供します。 この斬新で分散型の太陽光発電を利用した牛乳とヨーグルトの加工技術により、制御された操作条件下で農場内で高品質な牛乳の加工が可能になり、牛乳農家の現在の技術限界や顧客の品質制約を緩和するのに役立ちます。

この記事の結論を裏付ける生データは、不当な留保なしに、筆頭著者および責任著者によって提供されます。

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リファレンスをダウンロードする

著者は、今回の研究に生活費・研究費を提供してくれたパキスタン高等教育委員会（HEC）とドイツ学術交流局（DAAD）に感謝する。 著者はまた、この研究を出版するために資金を提供してくれたドイツのカッセル大学 (APC) に感謝したいと思います。

Projekt DEAL によって実現および組織されたオープンアクセスの資金調達。 研究の開発および実験費用は、ドイツの国際開発・ディーセント・ワークセンター（ICDD）から提供されました。

カッセル大学農業生物システム工学部、37213、ヴィッツェンハウゼン、ドイツ

サイード・ナビール・フスナイン、ファイザン・マジード、オリバー・ヘンセル

エネルギーシステム工学科、農業大学、ファイサラバード、38000、パキスタン

サイード・ナビール・フスナイン、アンジュム・ムニル、ワシーム・アムジャド

バハウディン・ザカリヤ大学農業工学部、ムルタン、60800、パキスタン

ファイザン・マジード

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サイード・ナビール・フスナインまたはアンジュム・ムニルへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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受信日: 2022 年 7 月 15 日

受理日: 2023 年 4 月 22 日

公開日: 2023 年 4 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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