Tehnologija hrane

Primena koncentrata proteina surutke u proizvodnji fermentisanih mlečnih proizvoda

Autor: dipl. ing. Radovan Šolaja
Mentor: prof. dr Spasenija Milanović
.

Postupci za proizvodnju koncentrata proteina surutke

Pod surutkom se podrazumeva tečna faza koja se dobija u proizvodnji proteinskih mlečnih proizvoda (sira, kazeina). To je tečnost  koja se izdvaja iz gruša  posle koagulacije mleka enzimima, kiselinama i toplotom.

Preradom mleka u različite vrste sira ili kazein, neke komponente mleka prelaze u surutku u različitom procentu, pri čemu najviše pređe laktoze (preko 90%), mineralnih materija preko 80%, hidrosolobilnih vitamina preko 60%. Oko 20% azotnih materija mleka prelazi u surutku, a masti i liposolubilnih vitamina ispod 10%. Energetska vrednost surutke prosečno iznosi 1050 kJ/kg. Od toga najveći deo pripada laktozi, oko 49%, a proteinima oko 17% (Carić, 1990).

U proteine surutke ubrajaju se belančevine mlečnog seruma (nekazeinski proteini), kao i frakcije kazeina koje zaostaju nakon precipitacije enzimom ili kiselinom. Proteine surutke čine sledeće frakcije mlečnog seruma:

• Frakcija albumina (80%)

β- laktoglobulin                        55%
α- laktoalbumin                        20%
albumin krvnog seruma             5%

• Frakcija globulina (imunoglobulin) 10%
• Frakcija proteoza i peptona 10%

Oko 4% ukupnog kazeina mleka prilikom proizvodnje sira  pređe u surutku, i to u vidu makropeptita κ-kazeina, koji se izdvaja u biohemijskoj fazi koagulacije, čini 0,01% surutkinih proteina. Velika biološka vrednost proteina surutke  je posledica visokog sadržaja i povoljnog međusobnog odnosa esencijalnih aminokiselina, posebno izoleucina, lizina, treonina i triptofana. Količina slobodnih aminokiselina u suruci je 6-9 puta veća nego u mleku, što se objašnjava hidrolizom belančevina sirišnim fermentom i radom bakterija mlečne kiseline. Dnevne potrebe za većinom esencijalnih aminokiselina mogu se podmiriti konzumiranjem 1,5 l surutke. Proteini surutke su, za razliku od kazeina, termolabilni i ireverzibilno se denaturišu na temperaturama višim od 70ºC.

Valorizacija surutke može sa se ostvari primenom različitih metoda, samostalno ili u kombinaciji. Prerada surutke se razvija u četiri osnovna pravca u okviru kojih postoji više metoda prerade:
1.         Koncentrisanje i sušenje
2.         Frakcionisanje
3.         Hidroliza
4.         Fermentacija

Na slici 8 prikazani su načini prerade surutke i mogući proizvodi.

Slika 8. Načini prerade surutke (α Tetra Pak, 2000)

Jedan od najčešćih načina za dobijanje KONCENTRATA PROTEINA SURUTKE je primena  separacionih metoda kao sto su: ultrafiltracija, dijafiltracija i gelfiltracija. Sastav komercijalnih preparata koncentrata proteina surutke prikazani su u tabeli 6.

Tabela 6. Sastav komercijalnih preparata koncentrata proteina surutke (KPS)  (De Wit, 1989)

ULTRAFILTRACIJA (UF)   je membranski separacioni proces koji se odvija pod dejstvom pritiska, pri čemu se pored rastvarača  razdvajaju i pojedine komponente iz rastvora, u zavisnosti od njihove veličine i strukture.

Ultrafiltracijom kroz membranu prolaze mali molekuli, kao što su voda, laktoza i soli, a veće i složenije molekule (makromolekuli), kao što su proteini i masti, membrana ne propušta (slika 8). Na taj način dobijamo visokomolekularnu frakciju sastavljenu od proteina i masti, koja se naziva koncetrat ili retentat, i niskomolekularnu frakciju, koju čine voda, soli, laktoza i aminokiseline i koja se naziva ultrafiltrat ili permeat. Ultrafiltracijom proteini surutke se koncetrišu do 80% u suvoj materiji . Radna temperatura je 50-55ºC.

Slika 9. Princip ultrafiltracije (Gavarić, 1995)

Prve korišćene membrane imale su malu propustljivost, slabu mehaničku otpornost i slabu hemijsku stabilnost. Patentiranjem asimetrične membrane od acetata celuloze ovi nedostaci su prevaziđeni, ali su i ove membrane imale ograničenu primenu u pogledu pH vrednosti (3-7) i temperature (do 35ºC) i bile su slabo otporne na dejstvo hemikalija.

Polisulfonske membrane ili membrane druge generacije mogu da se koriste u intervalima pH od 2-12 i do temperature od 100ºC, ali su osetljive na hlorne dezifijense i mehanička oštećenja. Danas se uveliko koriste membrane treće generacije, koje su otporne do temperature od 400ºC i u celom dijapazonu pH. Na njima se zadržava više od 98% proteina, a u permeat prelazi više od 90% laktoze iz surutke.

Ultrafiltracijom surutke, kao složenog koloidnog sistema, čestice proteina i neke soli se nakupljaju u blizini membrane, a kako proces odmiče, i na samoj membrani i njenim porama. Tako  dolazi do stvaranja depozita na membrani, tj. smanjenja njene propustljivosti tokom vremena. Ova neželjena pojava naziva se koncetracionom polarizacijom i ne može se nikad eliminisati, već samo umanjiti različitim mehaničkim postupcima, koji podstiču turbulentno proticanje surutke preko površine membrane. Jedan od načina da se smanji formiranje taloga i začepljenje membrane je termički tretman slatke surutke pre UF. Pasterizacijom surutke na 72ºC/15s stabilizuje se kompleks Ca-fosfata, koji je kod slatke surutke glavni uzrok smanjenja fluksa permeata.

Tretman kisele surutke  pre UF obuhvata zagrevanje na 80ºC/15s i podešavanje pH na 5,9.

DIJAFILTRACIJA se kombinuje sa UF, ( predstavlja  nastavak UF) , pri čemu se vrši ispiranje proteina surutke od komponenata laktoze i soli. Na ovaj način se koncentrat proteina prečišćava, u cilju smanjenja neproteinskih komponenata u retentatu. Ovim postupkom se dobija koncentrat proteina surutke koji sadrži preko 90% proteina u suvoj materiji. Voda se može dodavati šaržno ili kontinualno i najčešće je demineralizovana.

GELFILTRACIJA je postupak kod koga se pomoću molekulskog sita (gela) vrši razdvajanje proteina (frakcija velike molekulske mase) od laktoze i soli (frakcija male molekulske mase). Dobija se frakcija sa najkrupnijim molekulima (proteinima) koji ne mogu da penetriraju u gel, a zatim frakcija manjih molekula, koja prolazi kroz pore gela i duže se zadržavaju u njemu (laktoza, voda, so, neproteinski azot).U ovom brzom postupku razdvajanja, proteini nisu izloženi toploti i hemijskom tretmanu, što je posebno dobra osobina gel filtracije. Najčešće korišćeni gelovi su trodimenzionalni, dobro isprepleteni gelovi SEPHADEX i EDDIX. Pre samog procesa razdvajanja gel filtracijom, surutka se tretira primenom različitih tehnoloških operacija, što poskupljuje proces i ograničava primenu gelfiltracije.
.

Funkcionalne osobine proteina surutke

Koncentrat proteina surutke koristi se u proizvodnji infant formula i dijetetskih proizvoda, zbog odličnih nutritivnih i funkcionalnih osobina. Te funkcionalne osobine, važne za industriju hrane, su: rastvorljivost u vodi, sposobnost bubrenja, želiranja, formiranja pene i emulzija, obezbeđivanje visokog viskoziteta proizvoda, itd (Carić, 1990).

Funkcionalne osobine proteinskih proizvoda od surutke prikazane su na slici 9.

Na slici 10 prikazana su neka funkcionalna svojstva pojedinih frakcija proteina surutke β-lg, α-la, BSA i Ig-G:

Može se zaključiti da frakcija  β-lg poseduje najbolja funkcionalna svojstva. Sve frakcije imaju dobru rastvorljivost. Najmanju čvrstinu gela daju  α-la. Dok na formiranje pene i emulzije podjednako slabo utiču frakcije BSA i Ig-G.

Slika 10. Funkcionalne osobine proizvoda sa proteinima surutke (De Witt, 1989)

Slika 11. Funkcionalna svojstva frakcija proteina surutke pri pН=4,6 1.rastvorljivost; 2.sposobnost stvaranja pene; 3. sposobnost emulgovanja;  4. čvrstoća gela (De Wit, 1989

Spisak korišćene literature možete naći u Literatura - Tehnologija mleka.