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)
| Voda (%) | Proteini (%) | Neproteinski azot (%) | Mlecna mast (%) | Mlecna kiselina (%) | Laktoza (%) | Minerali (%) | |
| Surutka Gauda sira | 3,8 | 10 | 2,7 | 1,0 | 1,25 | 74,6 | 83 |
| KPS- UF | 6,3 | 55,8 | 3,0 | 4,8 | 0,22 | 26,4 | 4,2 |
| KPS-neutralna UF/DF | 6,7 | 73,9 | 3,7 | 6,6 | manje od 0,05 | 5,4 | 2,6 |
| KPS-kisela UF/DF | 3,1 | 73,2 | 0,8 | 6,4 | 0,08 | 13,4 | 2,2 |
| KPS-bezmasni UF | 4,5 | 60,3 | 3,5 | 0,5 | manj od 0,05 | 27,2 | 2,2 |
| KPS-Spherosil ‘QMA’ | 4,3 | 75,9 | 9,8 | 0,9 | 1,22 | 4,5 | 1,8 |
| KPS-Spherosil ‘S’ | 6,2 | 90,4 | 0,5 | 0,9 | 0,09 | 0,1 | 1,8 |
| KPS-Vistec | 6,3 | 86,4 | 1,8 | 1,2 | 0,37 | 0,4 | 3,6 |
| KPS-demineralizovan/ delaktoziran | 4,6 | 37,2 | 6,8 | 2,8 | 0,25 | 46,1 | 2,4 |
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.