Frakcjonowanie białek mleka: Pozyskiwanie i wykorzystanie w przemyśle różnych frakcji białek mleka

Białko to jeden z najważniejszych składników mleka krowiego. Jest bardzo ważnym elementem diety człowieka, ponieważ stanowi główne źródło azotu i niezbędnych aminokwasów egzogennych. Koncentraty białek mleka, jak również poszczególne jego frakcje, znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym. Wynika to z ich wartości odżywczej oraz właściwości technologicznych i funkcjonalnych. Najważniejsze frakcje białka mleka, które są wytwarzane w skali produkcyjnej, to kazeina i białka serwatkowe.

W metodach tradycyjnych białka mleka w postaci kazeiny i serwatki otrzymywane są podczas produkcji serów kwasowych i podpuszczkowych. W procesie kwasowej produkcji serów twarogowych mleko jest zakwaszane poprzez dodatek kwasu solnego lub w wyniku zastosowania procesu fermentacji mlekowej, w czasie której dochodzi do wytwarzania kwasu mlekowego przez bakterie biorące udział w fermentacji. Otrzymany w ten sposób skrzep kwasowy składa się głównie z kazeiny i oddzielany jest od serwatki z wykorzystaniem sit lub wirówek. Następnie kazeina jest przemywana wodą, odwadniana przez prasowanie, suszona i mielona. Możliwe jest również wytwarzanie kazeiny podpuszczkowej podczas produkcji serów podpuszczkowych twardych, półtwardych i miękkich w tzw. metodzie na słodko. Metoda ta polega na otrzymaniu skrzepu z mleka poprzez zastosowanie enzymów podpuszczki. Poza samym mechanizmem koagulacji sposób wytwarzania kazeiny podpuszczkowej jest bardzo podobny do tego dla kazeiny kwasowej.

W trakcie procesów koagulacji kazeiny (zarówno w metodzie kwasowej, jak i metodzie na słodko) powstaje serwatka, która pierwotnie traktowana była w mleczarstwie jako produkt odpadowy. Okazało się jednak, że jest ona bogata w wysokiej jakości białka serwatkowe, które charakteryzują się korzystnym profilem aminokwasowym i wysoką przyswajalnością. Serwatkę należy przetworzyć jak najszybciej po oddzieleniu od skrzepu, ponieważ jej temperatura i skład sprzyjają rozwojowi bakterii, które prowadzą do degradacji białka i tworzenia się kwasu mlekowego. Bezpośrednio po procesie produkcji sera serwatkę należy oddzielić od skrzepu, a także oddzielić od pozostałości kazeiny i tłuszczu. Następnie serwatka jest pasteryzowana, chłodzona i przechowywana w oczekiwaniu na dalsze przetwarzanie. W przypadku transportu serwatki można ją dodatkowo zagęszczać przez filtrację membranową w celu obniżenia kosztów transportu. Schłodzoną serwatkę poddaje się następnie procesowi odparowania do zawartości suchej masy na poziomie około 58-62%. Następnie produkt jest szybko schładzany do temperatury 30-40°C, inicjując w ten sposób powstawanie kryształów laktozy w specjalnie zaprojektowanych zbiornikach krystalizacyjnych. Ostatnim etapem produkcji jest proces suszenia. W zależności od zastosowanej technologii przetwarzania serwatki możemy otrzymać różne produkty, w tym koncentraty białek serwatkowych, izolaty białek serwatkowych czy laktozę.

Proces suszenia kazeiny i serwatki może zachodzić różnymi metodami, w zależności od zasobów producenta. Najczęściej stosowane jest suszenie bębnowe i rozpyłowe. Stosowanie suszarek bębnowych jest tańsze, jednak problematyczne, ponieważ trudno zeskrobać warstwę suszu z powierzchni bębna. Aby zwiększyć wydajność procesu, stosowany jest dodatek wypełniaczy (np. w postaci otrębów pszennych lub żytnich), by wysuszony produkt był łatwiejszy do usunięcia z komory suszenia. Najczęściej stosowane w przemyśle jest jednak suszenie rozpyłowe, pomimo wyższej ceny procesu i samych urządzeń. Suszenie rozpyłowe zazwyczaj jest poprzedzane procesem zagęszczania produktu do określonej zawartości suchej masy. Proces suszenia polega na rozpylaniu produktu w komorze suszarniczej, do której wprowadzane jest gorące powietrze w temperaturze powyżej 150°C. W ten sposób następuje usunięcie wody z produktu, a nawilżone powietrze zostaje usunięte z urządzenia.

Zapotrzebowanie na kazeinę i białka serwatkowe wysokiej jakości i czystości sprawiły, że składniki te są produkowane również w warunkach przemysłowych z zastosowaniem wyspecjalizowanych procesów separacji składników mleka. Wytwarzanie białek mleka z wykorzystaniem takich metod cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze względu na wyjątkowe właściwości otrzymywanych produktów, które wynikają z tego, że mleko nie zostało poddane działaniu składników biorących udział w tworzeniu się skrzepu. W konsekwencji brak jest niepożądanych składników mleka, barwników, pozostałości kwasu, podpuszczki i kultur starterowych używanych w procesie fermentacji.

Najważniejsze procesy separacji, które wykorzystywane są w produkcji białek mleka, to mikroflitracja, ultrafiltracja i diafiltracja. Procesy rozdziału opierają się o różnice w masie cząsteczkowej poszczególnych składników mleka. Stosowane są zarówno w wytwarzaniu koncentratów białek mleka, jak i w produkcji serwatki i kazeiny. W mikroflitracji stosuje się różnego rodzaju membrany o wielkości porów w zakresie 0,1-10 µm. Płyn jest przepuszczany przez filtr pod ciśnieniem. Początkowo metoda ta została wprowadzona do mleczarstwa w celu oddzielenia zanieczyszczeń mikrobiologicznych od mleka i jednocześnie zwiększenia jego bezpieczeństwa. Ponieważ mikroflitracja obejmuje szeroki zakres wielkości porów, proces ten znalazł również zastosowanie do rozdziału cząstek o różnej wielkości, w tym białek mleka. W przemyśle mleczarskim stosuje się głównie dwa rodzaje membran do mikroflitracji – o wielkości porów 1,4 µm do usuwania bakterii oraz o wielkości porów 0,1 µm do usuwania tłuszczu i oddzielania kazeiny i białka serwatkowego.

Ultrafiltracja zazwyczaj poprzedza mikroflitrację i jest szeroko stosowana w produkcji koncentratów białek mleka. Proces ten stosowany jest głównie do zagęszczania produktu przy jednoczesnym usuwaniu laktozy i rozpuszczalnych soli. Membrany ultrafiltracyjne mają wielkość porów w zakresie 10-100 nm. Podczas tego procesu mleko rozdzielane jest na dwie frakcje – pierwszą (permeat) bogatą w laktozę, składniki mineralne i wodę oraz drugą (retentat) bogatą w białka i tłuszcz mleczny. Materiałami membranowymi mogą być polimery (np. octan celulozy, polisulfon, poliamid, polipropylen) lub materiały nieorganiczne (ceramika, metale). Diafiltracja jest zwykle stosowana w celu poprawy czystości rozdzielanej substancji poprzez dodanie odpowiedniego rozpuszczalnika, w którym rozpuszczają się niepożądane składniki mieszaniny. Składniki te są następnie separowane od pozyskiwanej części mieszaniny. W produkcji białek mleka rozpuszczalnikiem jest głównie woda, która rozpuszcza laktozę i składniki mineralne.