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

Podstawowym procesem wykorzystującym wyżej opisane technologie separacyjne jest proces wytwarzania koncentratów białek mleka (MPC – ang. milk protein concentrate). W tym celu odtłuszczone mleko krowie poddawane jest pasteryzacji, np. przez 10-20 sekund w temperaturze 70-75°C. Mleko jest następnie zagęszczane przez ultrafiltrację. Na tym etapie kazeina, białka serwatkowe i pozostałości tłuszczu są zagęszczane w retentacie, podczas gdy laktoza, rozpuszczalne składniki mineralne i azot niebiałkowy są usuwane wraz z permeatem. Proces ten umożliwia otrzymanie koncentratu białek mleka o zawartości białek na poziomie 30-40%. Aby otrzymać produkt o wyższej koncentracji białek, konieczne jest zastosowanie diafiltracji, która umożliwia usunięcie większości pozostałej laktozy i rozpuszczalnych składników mineralnych. Otrzymany retentat zawierający białka mleka poddaje się odparowywaniu i suszeniu rozpyłowemu. Uzyskany produkt ma stosunek kazeiny do białek serwatki równy temu w mleku pełnym. Zawartość białka w sproszkowanych koncentratach białek mleka może wynosić od 35% do 85%. Jeśli zawartość białek mleka sięga powyżej 90%, to taki produkt nazywany jest izolatem białek mleka (MPI – ang. milk protein isolate).

Bardziej złożonym procesem jest pozyskiwanie poszczególnych frakcji białek mleka – kazeiny i serwatki. Odtłuszczone mleko jest na początku mikrofiltrowane w celu rozdzielenia dwóch głównych frakcji – retentatu zawierającego kazeinę oraz permeatu zawierającego białka serwatki, laktozę i sole mineralne (rysunek). Retentat bogaty w kazeinę ma również niewielkie pozostałości białek serwatkowych, laktozy i składników mineralnych, które mogą zostać usunięte w procesie diafiltracji. Tak otrzymana oczyszczona kazeina podlega procesowi odparowania i suszenia. W zależności od stopnia oczyszczenia i zastosowanej technologii produkcji otrzymujemy koncentraty (MCC – ang. micellar casein concentrates) lub izolaty (MCI – ang. micellar casein isolates) kazeiny.

Otrzymany w procesie mikroflitracji permeat jest poddawany procesom ultrafiltracji i diafiltracji w celu oddzielenia białek serwatkowych od laktozy i soli mineralnych. W wyniku tych procesów otrzymujemy białka serwatkowe o wysokim stopniu oczyszczenia, które następnie są zagęszczane i suszone. Otrzymane produkty określane są jako koncentraty białek serwatkowych (WPC – ang. whey protein concentrate), gdy zawierają 30-85% białka, lub izolaty białek serwatkowych (WPI – ang. whey protein isolate), gdy zawierają 90-95% białka. Generalnie w nomenklaturze koncentratów i izolatów białek mlecznych wymienia się rodzaj białka za pomocą krótkiego, 3-literowego kodu, po którym następuje liczba, która odróżnia procent białka w suchej masie. Na przykład WPC 34 to koncentrat białka serwatki z 34% białka w przeliczeniu na suchą masę.

Powszechne zastosowanie technologii membranowych w produkcji białek pozwoliło na opracowanie zróżnicowanego portfolio produktów, które oferują różnorodne rozwiązania zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i odżywczym. Koncentraty i izolaty białek mleka są produktami o znacznie obniżonej zawartości tłuszczu, laktozy i składników mineralnych w porównaniu do mleka pełnego. Niska zawartość laktozy, przyjemny mleczny smak i wysoka rozpuszczalność są połączone z doskonałym profilem odżywczym, w wyniku czego otrzymano składnik do wielokierunkowego zastosowania spożywczego. Produkty te wykazują szereg właściwości funkcjonalnych, które determinują ich zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu spożywczego. Są stabilne termicznie, wykazują zdolność do wiązania wody i żelowania, zwiększająlepkość produktu, a także wykazują zdolność do pienienia. Ze względu na swoje właściwości koncentraty i izolaty białek mleka stosowane są m.in. w:

• przemyśle mleczarskim (w produkcji jogurtów, serów topionych, serów podpuszczkowych, lodów, produktów wysokobiałkowych),
• przemyśle cukierniczym (w produkcji deserów, ciast, czekolad),
• przemyśle piekarniczym (w produkcji pieczywa),
• przemyśle mięsnym (w produkcji przetworów mięsnych),
• żywności dla niemowląt i małych dzieci,
• produktach do żywienia medycznego i klinicznego,
• żywności dla sportowców (w produkcji batonów proteinowych, odżywek białkowych),
• żywności niskokalorycznej (jako zamiennik tłuszczu),
• koncentratach spożywczych (w produkcji zup, sosów).

Podobne zastosowanie w przemyśle spożywczym wykazują poszczególne frakcje białek mleka – kazeina i serwatka. Kazeina znalazła szerokie zastosowanie w wielu produktach spożywczych – od produktów piekarniczych po zabielacze do kawy. Wykazuje doskonałe właściwości emulgujące tłuszczu, w związku z czym jest szeroko stosowana w produktach, które wymagają stabilizacji, w tym zabielaczach do kawy, polewach, deserach czy przetworach mięsnych. Dużą popularnością cieszy się również wykorzystanie kazeiny do produkcji analogów sera, serów topionych, napojów wysokobiałkowych i batonów proteinowych. W niektórych branżach (np. branży cukierniczej) zastosowanie kazeiny jest wypierane przez koncentraty białek mleka ze względu na ich lepsze właściwości organoleptyczne i lepszą rozpuszczalność.

Jedno z najszerszych zastosowań w przemyśle spożywczym z pewnością znalazły białka serwatkowe. Początkowo traktowane jako odpad po produkcji serów, obecnie stosowane jako wysokiej jakości składnik wielu produktów spożywczych. Ich szerokie zastosowanie wynika głównie z doskonałych właściwości funkcjonalnych. Oprócz funkcji technologicznych składniki białek serwatki wykazują szereg właściwości prozdrowotnych. Obecne w serwatce -laktoglobulina, -laktoalbumina, laktoperoksydaza i laktoferyna wykazują działanie przeciwgrzybicze, przeciwwirusowe, przeciwbakteryjne, przeciwnowotworowe i przeciwzapalne. Połączenie właściwości funkcjonalnych i prozdrowotnych sprawiło, że białka serwatkowe są szeroko stosowane w żywności dla sportowców i produktach o obniżonej zawartości cukru i tłuszczu. Stosowanie serwatki w branży piekarniczej i cukierniczej, w tym w produkcji pieczywa, ciast, ciastek, herbatników, krakersów, muffinek i polew, umożliwia wytwarzanie produktów o obniżonej zawartości węglowodanów i zwiększonej zawartości białka.

Stosowanie białek serwatkowych w produktach spożywczych może wpłynąć nie tylko na zdrowie konsumentów, ale także na finanse przedsiębiorstwa, ze względu na możliwość obniżenia kosztów surowców, a tym samym obniżenie kosztów produkcji. Obniżenie kosztów uzyskuje się poprzez zastosowanie preparatów serwatkowych jako częściowych lub całkowitych zamienników mleka w proszku, jajek, tłuszczu, sacharozy, a nawet innych białek. W przemyśle mięsnym białka serwatkowe stosowane są głównie w produkcji wyrobów rozdrobnionych, tj. parówki, kiełbaski i mortadele. Białko serwatkowe może częściowo zastąpić białko mięsa, jak również częściowo lub całkowicie zastąpić białko sojowe i inne środki wiążące, wypełniacze, modyfikowaną skrobię i hydrokoloidy. Szerokie zastosowanie tych białek w branży mięsnej wynika głównie ze zdolności wiązania wody, która zapobiega ubytkowi masy podczas obróbki termicznej i przechowywania, zwiększa soczystość końcowego produktu i ułatwia jego krojenie. Białka serwatkowe znajdują również szerokie zastosowanie w produkcji dressingów do sałatek, zup i sosów, majonezów, serów, jogurtów czy lodów. Najczęściej stosowane są w tym celu WPC 34 i WPC 80. Najważniejszymi funkcjami WPC w produktach niskotłuszczowych są: wiązanie wody, emulgowanie, wysoka rozpuszczalność, żelowanie i zwiększenie lepkości. Inne zastosowania serwatki w przemyśle spożywczym obejmują produkcję preparatów dla niemowląt i napojów serwatkowych. Preparaty serwatkowe, będące źródłem wysokiej jakości białka oraz aktywnych peptydów, są szeroko stosowane przez producentów odżywek dla niemowląt. Dużą grupę produktów stanowią również napoje serwatkowe w proszku, które mogą być wzbogacone w witaminy i składniki mineralne.

W ostatnich latach znaczenie koncentratów białek mleka, a także koncentratów i izolatów kazeiny i serwatki, znacznie wzrosło. Wynika to nie tylko z opracowania odpowiednich technologii ich produkcji na skalę komercyjną, ale również z faktu utworzenia się rynku dla białek funkcjonalnych. Możliwość zastosowania białek mleka w szerokiej gamie żywności wzbogacanej i prozdrowotnej sprawiła, że stają się wiodącą kategorią składników pochodzenia mlecznego. Termin „funkcjonalne właściwości białek” odnosi się do tych fizykochemicznych właściwości białka, które wpływają na funkcjonalność żywności, tj. na jej teksturę, kolor, smak, wiązanie wody i stabilność. Prawdopodobnie najważniejszymi właściwościami fizykochemicznymi białek mleka są rozpuszczalność oraz zdolność do tworzenia emulsji i żelowania. Opisane właściwości sprawiają, że zastosowanie różnych frakcji białek mleka w żywności poprawia jej odbiór przez konsumentów, a także pomaga w zmniejszaniu kosztów produkcji.

Literatura:

1. Carter B.G. i wsp., Invited review: Microfiltrationderived casein and whey proteins from milk, „Journal of Dairy Science” 2021, nr 104, s. 2465--2479.
2. https://dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/milk-and-whey-powder
3. https://dairyprocessinghandbook.tetrapak.com/chapter/whey-processing
4. Królczyk i wsp., Use of Whey and Whey Preparations in the Food Industry – a Review, „Polish Journal of Food and Nutrition Sciences” 2016, nr 66(3), s. 157-165.
5. Lagrange V. i wsp., Global Market for Dairy Proteins, „Journal of Food Science” 2015, nr 80, s. 16-22.
6. Meena i wsp., Milk protein concentrates: opportunities and challenges, „Journal of Food Science and Technology” 2017, nr 54(10), s. 3010-3024.