Białka mleka: Białko wzorcowe

dr hab. Małgorzata Ziarno, prof. SGGW, SGGW Warszawa
dr inż. Dorota Zaręba, ZSG Warszawa
Forum Mleczarskie Handel 3/2020 (99)
© fm

W przeciętnym składzie mleka krowiego znajduje się 3,3% białek. Najważniejszymi białkami mleka są kazeina i białka serwatkowe. Kazeina stanowi ok. 80% białek mleka a jej głównymi frakcjami są alfa-s1-, alfa-s2-, beta- oraz kappa-kazeina, natomiast białka serwatkowe stanowią 20% białek mleka, a ich głównymi przedstawicielami są alfa-laktoalbuminy, beta-laktoglobuliny oraz albuminy serum krwi, immunoglobuliny, a także proteazy i peptony.

Wartość biologiczna

Białka mleka mają wysoką wartość biologiczną, zarówno kazeiny, jak i serwatka są bardzo wysoko oceniane w porównaniu do tymczasowego wzorca jakości ustalonego przez FAO/WHO. W mleku występuje 18 aminokwasów, z czego 11 aminokwasów jest egzogennych lub względnie egzogennych dla organizmu człowieka (izoleucyna, leucyna, lizyna, metionina + cysteina, fenyloalanina + tyrozyna, treonina, tryptofan, walina, histydyna). Oba rodzaje białek mleka uzupełniają się pod względem zawartości o niezbędne aminokwasy, co eliminuje niewielki niedobór aminokwasów siarkowych, metioniny i cysteiny w kazeinie. Białko mleka również jest wysoce przyswajalne, chociaż strawność można zmniejszyć poprzez przetwarzanie. Wartość odżywcza białek mleka może być zwiększana poprzez spożycie produktów mlecznych z nasionami zbóż lub płatkami zbożowymi. Generalnie, aminokwasy białkowe mają konfigurację L (z wyjątkiem glicyny) i D; w białkach zwykle występuje forma L.

Skład aminokwasowy

© fm

Determinuje właściwości białek mleka. W przypadku kazeiny, wartość jej punktu izoelektrycznego (pH 4,6) wynika z dużej zawartości kwasu glutaminowego i asparaginowego (punkt izoelektryczny jest typowy dla białek o zawartości powyżej 28% aminokwasów o budowie hydrofobowej). Micele kazeiny są wyjątkowo stabilne w temperaturze do 140°C. Duża stabilność termiczna kazeiny jest wynikiem słabo zaznaczonej struktury II- i III-rzędowej (wysoka zawartość proliny o sztywnej, pierścieniowej budowie, utrudnia tworzenie struktury II- i III-rzędowej) oraz stabilnej struktury IV-rzędowej. Kazeina jest fosfoproteidem, który zawiera 0,6-0,9% fosforu (białka mogą zawierać aminokwasy zmodyfikowane np. fosfoserynę, fosfotreoninę). Dla porównania, białka serwatkowe cechują się wysoką zawartością aminokwasów siarkowych. Są stosunkowo nietrwałe termicznie, a ekstensywna denaturacja zachodzi w 80°C. Denaturacji towarzyszą rozległe rozbicie i randomizacja stabilizujących wiązań dwusiarczkowych. Każde z białek serwatkowych ma inną wartość punktu izoelektrycznego, np. wartość punktu izoelektrycznego β-laktoglobuliny wynosi 5,2. Dzięki temu białka serwatkowe pozostają w serwatce po wydzieleniu kazeiny z mleka przy pH 4,6. Struktura białek serwatkowych to typowe białka o kulistym kształcie i jednolitym rozkładzie sekwencji niepolarnych i polarnych. Białka serwatkowe ulegają wewnątrzcząsteczkowemu zwijaniu w wyniku tworzenia wiązań dwusiarczkowych między resztami cysteinylowymi, co powoduje, że większość reszt hydrofobowych zostaje ukryta we wnętrzu cząsteczki, dlatego białka serwatkowe w stanie natywnym nie agregują silnie, ani nie wchodzą w interakcje z innymi białkami. Białka serwatkowe ulegają za to łatwo termicznej denaturacji – w kolejności: immunoglobuliny, albuminy serum krwi, β-laktoglobuliny, α-laktoalbuminy. Po termicznej denaturacji już koprecypitują z kazeiną, co ma duże znaczenie technologiczne (zwiększenie stabilności oksydacyjnej produktów wysokotłuszczowych, większa lepkość i zapobieganie synerezie serwatki np. w jogurtach, zwiększenie wydatku serów kwasowych). To z powodu ich wrażliwości termicznej mleko przeznaczone na produkcję serów podpuszczkowych jest łagodnie pasteryzowane (w przeciwnym przypadku byłby utrudniony dostęp podpuszczki do miceli kazeinowych).

Metody wydzielania białek mleka

Koagulacja jest jednym z najstarszych i najpowszechniej stosowanych sposobów wydzielania (wytrącania) białek mleka. W technologii mleczarskiej wyróżnia się dwa rodzaje koagulacji białek mleka: kwasową i podpuszczkową. Mechanizm koagulacji kwasowej polega na doprowadzeniu kwasowości mleka do pH odpowiadającemu punktowi izoelektrycznego kazeiny, czyli ok. 4,6. W momencie osiągnięcia tej wartości pH w temperaturze 20°C liczba zdysocjowanych kwasowych i zasadowych grup kazeiny jest taka sama, czyli zewnętrzny ładunek miceli kazeinowej osiąga wartość zero. Przy pH 4,6 dochodzi także do zmian w obrębie stopnia zjonizowania wapnia. Jony wapniowe, tworzące zazwyczaj mostki w miceli kazeinowej, zaczynają oddysocjowywać i przechodzić do fazy wodnej, w efekcie mostki pękają i micele kazeinowe są rozciągane, co ułatwia ich wzajemny kontakt i tworzenie międzymicelarnych wiązań – w ten sposób dochodzi do asocjacji miceli kazeinowych i powstaje skrzep (czyli żel kazeinowy), który zamyka w wolnych przestrzeniach sieci wszystkie pozostałe składniki mleka. W procesie łączenia się białek biorą udział różnego rodzaju wiązania: kowalencyjne, wodorowe, jonowe, hydrofobowe i siły Van der Waalsa. Zmianie ulega struktura II-, III- i IV-rzędowa białek kazeinowych. Warto zauważyć, że koagulacja kwasowa jest odwracalna przez podwyższenie wartości pH (przy doprowadzeniu pH do 6,6 obserwuje się całkowity powrót kazeiny do stanu koloidalnego, gdyż jednoimiennie naładowane cząsteczki białka odpychają się, zamiast łączyć się w żel).

© fm

Koagulacja podpuszczkowa, której mechanizm jest wykorzystywany w produkcji serów podpuszczkowych i kazeiny podpuszczkowej, polega na wytrąceniu głównego białka mleka nie przez zakwaszenie mleka, a przez zadziałanie enzymem kazeolitycznym (najstarszym znanym preparatem enzymatycznym tego typu jest podpuszczka cielęca). Mechanizm krzepnięcia podpuszczkowego wyróżnia dwie fazy procesu. Pierwsza jest faza enzymatyczna, w której podpuszczka (lub inny preparat kazeolityczny) odszczepia z frakcji kappa-kazeiny (w miejscu najbardziej labilnego wiązania peptydowego) część łańcucha polipeptydowego, rozpuszczalnego w wodzie, zwanego glikomakropeptydem o masie cząsteczkowej wynoszącej ok. 6-8 kDa (co stanowi ok. 30% kappa-kazeiny, czyli 5% kazeiny ogółem). Pozostała frakcja kappa-kazeiny, określana jako para-kappa-kazeina, ma charakter hydrofobowy, czyli jest nierozpuszczalna w wodzie, pozostaje w miceli kazeinowej. Druga faza procesu, tzw. faza koagulacyjna jest fizyko-chemiczną konsekwencją odłączenia glikomakropeptydu od miceli kazeinowej. Na skutek oddzielenia od miceli kazeinowej glikomakropeptydu potencjał elektrokinetyczny miceli kazeinowej zmniejsza się prawie o połowę, powodując utratę znacznej ilości powłoki hydratacyjnej przez micele kazeinowe. Wtedy ujawniają się aktywne miejsca, poprzez które następuje łączenie się miceli, prowadzące do powstania trójwymiarowej sieci mocnych wiązań i utworzenia silnego żelu. Łączenie miceli kazeinowych następuje poprzez wiązania jonowe, wodorowe i Van der Waalsa. Enzymatyczne krzepnięcie mleka przebiega „na słodko”, chociaż lekkie nadkwaszenie mleka (pH 6,2-6,4) przyspiesza je (wzmaga aktywność enzymu). Również dodatek wapnia do mleka przerobowego przyspiesza proces podpuszczkowej koagulacji mleka i wzmacnia zwięzłość skrzepu.

Ze względu na wartość odżywczą i technologiczną białek serwatkowych opracowano technologie wytrącania się wszystkich białek mleka lub odzyskiwania ich frakcji z serwatki kwasowej lub podpuszczkowej. W technologii mleczarskiej kwasowe i podpuszczkowe wytrącanie kazeiny można połączyć w jedną technologię. Podczas koagulacji kwasowo-podpuszczkowej następuje jednoczesne działanie enzymu koagulującego, w połączeniu z obniżeniem pH skrzepu.

Wytrąceniu wszystkich białek mleka sprzyja ich denaturacja pod wpływem takich czynników, jak wysoka temperatura z jednoczesnym zmniejszeniem wartości pH (metoda termiczno-kwasowa), ewentualnie z dodatkiem soli dysocjujących (np. sole wapniowe, magnezowe, takie jak MgSO4, CaCl2). Silne ogrzewanie mleka w pierwszej kolejności prowadzi do denaturacji białek serwatkowych, które wchodzą w interakcje z kazeiną i wraz z nią wytrącają się. Metoda termiczno-kwasowa pozwala na wytrącenie z mleka 90-96% białek (dla porównania – w koagulacji podpuszczkowej jedynie 76-78% białek ogółem przechodzi do skrzepu). Jak wspomniano, sole dysocjujące, po dodaniu do mleka, doprowadzając do utraty warstw hydratacyjnych białek, sprzyjają ich denaturacji. Jest to wykorzystywane w metodzie termiczno-wapniowej wytrącania białek mleka. Wytrącaniu białek tą metodą sprzyja podwyższona temperatura mleka.

Preparaty białek mleka

Różne sposoby wydzielania białek z mleka są podstawą produkcji wielu preparatów białek mleka. Ze względu na sposób wytrącania tych białek oraz ich skład chemiczny wyróżnia się preparaty kazeiny i kazeiniany, białczany, koprecypitaty, a także koncentraty białek mleka, koncentraty białek serwatkowych.

© fm
  • Preparaty kazeiny są koncentratami kazeiny uzyskanymi z mleka pasteryzowanego, odtłuszczonego, w wyniku koagulacji kwasowej (tzw. kazeina kwasowa) lub enzymatycznej (tzw. kazeina podpuszczkowa), następnie wypłukanymi, zmielonymi i wysuszonymi do postaci granulatu.
  • Kazeiniany są z kolei solami kazeiny, otrzymanymi poprzez zobojętnianie jej wodnej zawiesiny. Produkuje się kazeiniany sodowe, wapniowe, potasowe, magnezowe, amonowe. Surowcem do ich produkcji jest kazeina kwasowa lub twaróg kazeinowy kwasowy.
  • Białczany są koncentratami wszystkich białek mleka (łącznie kazeiny i białek serwatkowych), uzyskanymi z mleka pasteryzowanego, odtłuszczonego, w wyniku koagulacji kwasowej lub termiczno-kwasowej, wypłukanymi, zmielonymi i wysuszonymi do postaci granulatu, a następnie poddanymi działaniu alkaliów, podobnie jak w przypadku kazeinianów, w celu uzyskania rozpuszczalnych w wodzie soli białkowych.
  • Koprecypitaty są preparatami wszystkich białek mleka, uzyskanymi w wyniku koagulacji termiczno-wapniowo-kwasowej.

Wymienione preparaty białek mleka mogą zostać poddane dalszym procesom przetwórczym, na przykład z wykorzystaniem ekstruzji. Ekstruzja jest procesem, w którym surowiec białkowy jest poddawany miksowaniu, ogrzewaniu, kompresji, działaniu sił ścinających, czynników chemicznych i wytłaczaniu pod zwiększonym ciśnieniem. W wyniku działania tych czynników, po opuszczeniu dyszy wylotowej urządzenia (tzw. ekstrudera), produkt ulega ekspansji, z jednoczesnym odparowaniem wody i zestaleniem. Można zatem powiedzieć, że ekstruder jest reaktorem, który umożliwia w czasie 10-20 s modyfikowanie właściwości fizykochemicznych i funkcjonalnych surowców białkowych, w tym białek mleka.

Obecne intensywnie rozwijane technologie membranowe pozwalają na jeszcze inne sposoby wydzielania białek mleka i ich frakcjonowanie.

Koncentraty białek serwatkowych (whey protein concentrate, WPC) są preparatami białek serwatkowych wydzielonych z mleka lub serwatki z wykorzystaniem procesów membranowych (najczęściej ultrafiltracji).

Koncentraty białek mleka (milk protein concentrate, MPC) są to preparaty wszystkich białek mleka wydzielonych z mleka z wykorzystaniem procesów membranowych (najczęściej ultrafiltracji).

Znaczenie preparatów białek mleka

Są to preparaty znajdujące zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu spożywczego (m.in. jako składniki dodawane do żywności) dzięki szerokiemu spektrum właściwości funkcjonalnych i wysokiej wartości odżywczej. Te właściwości wynikają z oddziaływań białek z cukrami, wodą, jonami, innymi białkami, a także lipidami. Są preparatami o dobrej zwilżalności, dlatego są dobrze rozpuszczalne w wodzie, mają zdolność do pęcznienia, rehydratacji i utrzymywania wody – dzięki temu m.in. przedłużają świeżość pieczywa, poprawiają strukturę, biorąc udział w tworzeniu wyglądu zewnętrznego, tekstury i cech reologicznych żywności, jak również ułatwiają rozpuszczanie w wodzie innych składników. Wykazują się zdolnością do modyfikacji lepkości wodnych roztworów – od żelowania, przez tworzenie włókien, tworzenie filmów, aż po tworzenie ciasta i stabilizowanie pian i emulsji. Mają zdolność do wiązania nie tylko wody, ale także tłuszczu, jak również emulgowania tłuszczu.

W efekcie, preparaty białek mleka znajdują zastosowanie w wielu branżach spożywczych (m.in. branża mleczarska, przemysł mięsny i rybny, makaroniarski i piekarski, cukierniczy, koncentratów spożywczych, np. w produkcji zup, sosów w proszku, bulionów, zabielaczy, odżywek) i nie tylko (branża farmaceutyczna, przemysł chemiczny, drzewny, papierniczy, gumowy, tekstylny i skórzany, elektrotechniczny, a także paszowy, np. w produkcji klejów kazeinowych, mas plastycznych, w fotooptyce itp.).

Wykorzystując preparaty białek mleka należy pamiętać, że są to substancje alergizujące i znajdujące się w wykazie alergenów żywnościowych (Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 1169/2011 z dnia 25 października 2011 r. w sprawie przekazywania konsumentom informacji na temat żywności, zmiany rozporządzeń Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 1924/2006 i (WE) nr 1925/2006 oraz uchylenia dyrektywy Komisji 87/250/EWG, dyrektywy Rady 90/496/EWG, dyrektywy Komisji 1999/10/WE, dyrektywy 2000/13/WE Parlamentu Europejskiego i Rady, dyrektyw Komisji 2002/67/WE i 2008/5/WE oraz rozporządzenia Komisji (WE) nr 608/2004).

 

Często alergie na białka mleka określa się innymi nazwami, np. „nietolerancja białek mleka krowiego” lub „nadwrażliwość na białka mleka krowiego”. Nazewnictwo to jest niestety mylące, gdyż alergia i nietolerancja mają odmienne mechanizmy powstawania, chociaż zbliżone objawy. Szacuje się, że 2-3% dzieci do 4. roku życia cierpi na alergię na białka mleka, z czego 80-90% dzieci „wyrasta” z alergii w późniejszych latach życia. Dlatego alergia na białka mleka rzadziej występuje u dzieci starszych i sporadycznie u osób dorosłych, chociaż możliwe jest jej pojawienie się nawet w późnym okresie życia człowieka. Ocenia się, że około 1-2% osób dorosłych jest uczulonych na białka mleka.

Za powstanie alergii pokarmowej są zazwyczaj odpowiedzialne białka o masie od 10 do 40 kDa, występujące w produktach spożywczych. Uważa się, że peptydy o masie cząsteczkowej poniżej 5 kDa wykazują słabe właściwości alergenne, zaś te o masie poniżej 3,5 kDa nie powodują reakcji alergicznych. W przypadku mleka krowiego, właściwości alergizujące wykazuje aż pięć frakcji białek: dwie frakcje kazeinowe (α-s1-kazeina i β-kazeina, a w każdej z nich stwierdza się co najmniej po 6 alergenów) i trzy białka serwatkowe (β-laktoglobulina, α-laktoalbumina oraz albumina serum krwi). Alergię mogą powodować także inne białka lub peptydy, których zawartość w mleku krowim jest niewielka: laktoferyna, transferyna, laktoperoksydaza, katalaza, fosfataza alkaliczna oraz niektóre produkty reakcji Maillarda. Niezwykle rzadko zdarza się alergia na jeden alergen, zwykle obserwuje się nadwrażliwość na więcej niż jedną z frakcji białek mleka (co jest powodowane m.in. reakcjami krzyżowymi pomiędzy tymi białkami, ich podobieństwem strukturalnym i konformacją przestrzenną). Panuje powszechne mniemanie, że osoby cierpiące na alergię na białka mleka krowiego mogą spożywać mleko kozie i jego przetwory. Jest to niestety myląca opinia, nieznajdująca potwierdzenia w badaniach naukowych, bo wprawdzie mleko kozie nie zawiera lub zawiera w bardzo małej ilości α-s1-kazeinę, która w mleku krowim jest znaczącym alergenem, za to stwierdza się wysokie podobieństwo I-rzędowej struktury białek mleka krowiego, koziego oraz owczego, co oznacza, że wszystkie wymienione gatunki mleka mogą wywoływać ten sam rodzaj odpowiedzi immunologicznej.