Состав и свойства концентратов сывороточного белка после ультрафильтрации
Основано на материале статьи Composition and Properties of Whey Protein Concentrates from Ultrafiltration, Journal of Dairy Science, USA, 2010
Высокая стоимость утилизации и необходимость снижения загрязнения окружающей среды привели к значительным усилиям по увеличению использования сырной сыворотки. Из-за значительного экономического и питательного потенциала большая часть этих усилий была направлена на восстановление белка из сыворотки. Было установлено питательное превосходство сывороточного белка. К сожалению, использование сывороточного протеина ограничено из-за плохих физических свойств коммерческих продуктов. До недавнего времени сывороточный протеин был доступен только в виде нерастворимого зернистого порошка, полученного при нагревании.
Быстро развивающиеся процессы выделения белка из сыворотки включают #POPOVER1#электродиализ#/POPOVER#, комплексообразование, осаждение этанолом, гель-фильтрацию с #POPOVER2#сефадексом#/POPOVER# и #POPOVER3#ультрафильтрацию#/POPOVER# (УФ). Продукты некоторых из этих процессов теперь коммерчески доступны. Изучена функциональность концентратов сывороточного белка (КСБ), полученных несколькими способами. В статье сообщается о составе и полезных свойствах КСБ, приготовленного УФ.
Сыворотка.Сыворотка для сыра чеддер была произведена Лабораторией питания молочных продуктов Центра сельскохозяйственных исследований в Белтсвилле, штат Мэриленд. Сыворотка творожная получена от местного производителя. Сыворотку «Чеддер» пастеризовали при 72,8°С в течение 15 с для предотвращения дальнейшего развития кислоты. Вся сыворотка была центробежно осветлена с помощью шламоотделителя и перед использованием выдерживалась при температуре от 1,7 до 4,4°С.
Процедура УФ. Ультрафильтратор экспериментальной установки модели UF-44S (Abcor, Inc., Кембридж, Массачусетс) был использован для приготовления КСБ. Установка содержала двадцать 2,5 - сантиметровых трубок длиной 3 м каждая, всего 4,1 м мембран HFA-180 с нормальным удерживанием сывороточного белка 98,2% . Операция была периодической с партиями от 1100 до 1800 литров. Использовали температуру 48°С и давление на входе 3,1-1 кг/см.
Сыворотка непрерывно циркулировала по трубкам и возвращалась в резервуар для выдержки до тех пор, пока #POPOVER4#пермеат#/POPOVER# не удалялся до желаемой концентрации белка. Для этого требовалось от 3 до 20 часов.
Анализ.Общее содержание твердых веществ определяли по методу Можонье, лактозу методом восстановления меди, зольность путем сжигания при 550 °С и общий азот по стандартной методике #POPOVER5#микро-Кьельдаля#/POPOVER#. Белок рассчитывали путем умножения общего азота на 6,38. Аминокислотный анализ проводили на анализаторе аминокислот Beckman Model 120 С. Аликвоты каждой пробы запаивали под вакуумом в ампулы с 6 н . НСl и гидролизовали при 110 0С в течение 22, 46 и 70 ч. Значения #POPOVER6#треонина#/POPOVER#, #POPOVER7#серина#/POPOVER# и #POPOVER8#аммиака#/POPOVER# были экстраполированы на нулевое время. Доступный лизин с его эпсилон-аминогруппой, свободной для химической реакции, измеряли как разницу между общим и заблокированным #POPOVER9#лизином#/POPOVER#. #POPOVER10#Цистин#/POPOVER# определяли как цистеиновую кислоту после окисления надмуравьиной кислотой с последующим кислотным гидролизом. Анализ витаминов проводился независимой лабораторией с использованием стандартных методов.
Концентрация и сушка. Были использованы коммерчески приемлемые методы концентрирования и сушки КСБ. После предварительного нагрева в трубчатом нагревателе Мэллори при 60°С в течение 15 с, КСБ дополнительно концентрировали до содержания твердых веществ от 25 до 50% в испарителе с падающей пленкой Weigand с температурой на входе трубы 82,2 °C. Распылительную сушку проводили в циклонной сушилке Grey Jensen с напорная форсунка с использованием осушающего воздуха 132 °С.
Растворимость белка. Общая процедура определения растворимости заключалась в подкислении и удалении нерастворимого материала центрифугированием. Каждый образец разбавляли дистиллированной водой в соотношении 10:1 , доводили до рН 4,6 10% уксусной кислотой и выдерживали при 40°С на водяной бане. Через 10 мин добавляли 1 мл раствора N-ацетата натрия и охлаждали образец до комнатной температуры . Затем нерастворимый материал удаляли центрифугированием в течение 40 мин при 65,000 об/мин. Прозрачный #POPOVER11#супернатант#/POPOVER# анализировали на азот методом микро-Кьельдаля и сравнивали с аналогичным анализом исходного образца.
Взбиваемость. При испытаниях на взбивание электрический миксер Hamilton Beach работал на полной скорости в течение 10 мин. Вздутие рассчитывали путем сравнения массы заданного объема ДПК с массой равного объема пенопласта. Сразу после взбивания пену переносили в воронку Бюнера на 200 мл; Стабильность определяли по времени, необходимому для того, чтобы первая капля жидкости капнула из воронки.
Взаимодействие с водой. Обезжиренное молоко обогащали КСБ для получения различных количеств сывороточного белка. Свежий яичный белок использовали для сравнительных целей. Смеси нагревали до 85°С в течение 5 мин для денатурации белка и улавливания воды. На степень захвата указывало увеличение вязкости или прочности геля, измеренное с помощью вискозиметра Brookfield LVT при 3 об/мин с осью, имеющей длину крестовины 1,1 см. В гелевых структурах вращающийся шпиндель обычно создает канал и создает незначительный и бессмысленный крутящий момент. Чтобы преодолеть этот эффект, вискозиметр был установлен на подставке Helipath, которая опускала шпиндель по винтовой траектории через испытуемый материал во время измерения, чтобы гарантировать, что ротор всегда измеряет ненарушенный материал.
Состав. Поскольку ультрафильтрационные мембраны почти полностью проницаемы для лактозы, минералов и короткоцепочечных #POPOVER12#полипептидов#/POPOVER#, удаление пермеата из сыворотки с помощью ультрафильтрации удаляет почти такой же процент этих компонентов, как и вода. Таким образом, чтобы удалить 90% лактозы из сыворотки, необходимо было бы удалить через мембраны 90% исходного объема. Теоретические данные о составе продуктов, полученных в результате различной степени уменьшения объема. Данные предполагают 100% удержание белка и нулевое удержание всех других компонентов. Наши результаты представлены в таблице 1. В то время как теоретические значения для 80, 90 и 95% уменьшение объема предсказывают концентраты, содержащие 36, 53 и 69% белка, соответствующие экспериментальные значения составляли 30, 42 и 55% белка. Различия между теоретическими и фактическими значениями возникают из-за несовершенства мембран; ни 100% удерживание белка, ни нулевое удержание других твердых веществ не были достигнуты.
Варьируя уменьшение объема, можно получить практически любую концентрацию белка. Однако высокое соотношение лактозы и белка в сыворотке затрудняет приготовление КСБ с содержанием белка более 50-60 %.
ТАБЛИЦА 1. Типовой состав концентратов сывороточного белка после ультрафильтрации
|
Фракция |
Удаление воды, %
(объем / сокращение)
|
|||
|
0 |
80 |
90 |
95 |
|
|
Общее количество сухих веществ |
6,60 |
9,50 |
13,00 |
18,00 |
|
Лактоза |
4,80 |
5,50 |
5,60 |
5,80 |
|
Белок |
0,67 |
2,85 |
5,50 |
9,54 |
|
Зольность |
0,74 |
0,79 |
0,77 |
0,75 |
Можно дополнительно промывать белковые твердые вещества из концентрата путем разбавления водой и последующего второго цикла ультрафильтрации. Этим методом получают концентраты, содержащие до 80 % белка, но затраты значительно возрастают. Holsinger готовил концентраты с содержанием белка до 90% с помощью комбинации ультрафильтрации и гель-фильтрации с сефадексом.
Зольность. Низкое содержание минералов необходимо для удовлетворения некоторых пищевых потребностей человека, таких как детское питание и продукты с низким содержанием натрия. Результаты в таблице 1 подчеркивают преимущество ультрафильтрации как частичного деминерализатора. Зольность составляет 11,2% от сухого веса в исходной сыворотке и 8,3, 5,9 и 4,0% от сухого веса в 80, 90 и 95% концентратов с уменьшиным объемом. КСБ с 95% уменьшеного объема выгодно отличается по содержанию золы от электродиализированных продуктов и значительно превосходит продукты, полученные с помощью процедур полифосфатной экстракции, которые дают от 10 до 16% минералов. Общая низкая зольность КСБ должна повышать его ценность для диетического и здорового питания.
Витамины. В табл . 2 сравнивается витаминный состав жидкой сыворотки и КСБ. Поскольку мембраны HFA - 180 рассчитаны на отсечение по молекулярной массе от 15 000 до 20 000, можно ожидать, что через мембрану пройдет большой процент относительно небольших витаминов. Об этом свидетельствует небольшое увеличение содержания витаминов в концентрате. Массово-балансовые расчеты показывают, что в концентрате оставалось от 11 до 14% каждого витамина . Это неудивительно, поскольку КСБ составляет 10% исходного объема сыворотки. По-видимому, большая часть водорастворимых витаминов в сыворотке находится в свободной форме.
ТАБЛИЦА 2. Сравнение витаминов в жидкой сыворотке и концентрате сывороточного белка
|
Витамин |
Сыворотка мг/кг |
КСБ мг/кг |
|
Тиамин |
0,31 |
0,32 |
|
Фолиевая кислота |
0,07 |
0,11 |
|
Ниацин |
1,18 |
1,28 |
|
Рибофлавин |
0,16 |
0,20 |
|
Холин |
108,00 |
136,00 |
|
Пантотеновая кислота |
3,94 |
4,43 |
Аминокислоты. Количество аминокислот значительно увеличивается при УФ (табл . 3). Пятикратное увеличение хорошо коррелирует с белком, который увеличился примерно с 11% сухих веществ в сыворотке до 53% сухих веществ в КСБ. Сравнение соотношений аминокислот в сыворотке и КСБ не выявило значительных сдвигов в аминокислотном профиле. Таким образом, почти все аминокислоты должны быть связаны с белком или являться его частью. Из общего количества лизина 98,6% было химически доступно в сыворотке, 97,7% в КСБ, что указывает на незначительное тепловое повреждение аминокислот во время обработки. Аминокислотный состав КСБ из сладкой и кислой сыворотки существенно не отличался.
ТАБЛИЦА 3. Аминокислотный состав сыворотки сыра Чеддер и концентрата сывороточного белка (сухая масса)
|
Аминокислоты |
Сыворотка |
КСБ |
|
Лизин, % |
1,12 |
5,47 |
|
Гистидин, % |
0,24 |
1,14 |
|
Аргинин, % |
0,29 |
1,72 |
|
Треонин, % |
0,63 |
3,09 |
|
Валин, % |
0,67 |
3,25 |
|
Метионин, % |
0,23 |
1,12 |
|
Изолейцин, % |
0,60 |
3,05 |
|
Лейцин, % |
1,32 |
6,53 |
|
Фенилаланин, % |
0,42 |
2,04 |
|
Триптофан, % |
0,24 |
1,37 |
|
Аспарагиновая кислота, % |
1,24 |
6,19 |
|
Серин, % |
0,59 |
2,73 |
|
Глютаминовая кислота, % |
2,16 |
9,16 |
|
Пролин, % |
0,64 |
2,54 |
|
Глицин, % |
0,25 |
1,20 |
|
Аланин, % |
0,56 |
2,73 |
|
Цистин, % |
0,24 |
1,25 |
Растворимость. В табл. 4 рассмотрено влияние обработки на растворимость концентрата сывороточного белка. Ни УФ, ни дополнительные обработки, необходимые для производства порошка, существенно не изменили растворимость белка. Эти обработки включали предварительный нагрев, выпаривание и распылительную сушку, как описано ранее. Однако термолабильность белка была продемонстрирована при попытках пастеризации КСБ; как 78,2 0С в течение 15 с, так и 62,4 0С в течение 30 мин приводили к примерно 20% денатурации. Таким образом, пастеризация, по-видимому, является единственной проблемой обработки, хотя ее можно решить путем дальнейших исследований зависимости времени от температуры. Если приемлемые процедуры не могут быть найдены, можно использовать такие альтернативы, как обработка пероксидом , или, при надлежащем санитарном контроле, пастеризацию можно ограничить сырой сывороткой.
ТАБЛИЦА 4. Влияние обработки на растворимость концентрата сывороточного белка
|
Обработка |
Растворимость, % |
|
Сыворотка |
|
|
Осветление |
98,7 |
|
КСБ |
|
|
Уменьшение объема на 91%, при 48 0С за 20 ч |
98,4 |
|
Пастеризация при 72,7 0С за15 с |
81,0 |
|
Пастеризация при 62,7 0С за 30 мин |
80,0 |
|
Предварительный подогрев при 60 0С за 15 с |
98,3 |
|
Выпаривание 45 % твердых веществ |
98,0 |
|
Распылительная сушка |
97,8 |
Взаимодействие с водой. Одним из наиболее интересных свойств сывороточного протеина является его способность удерживать воду после тепловой денатурации. Количество воды, связанной #POPOVER13#денатурированным#/POPOVER# и неденатурированным белком, было практически одинаковым. Таким образом, в нашем исследовании превосходные водоудерживающие свойства КСБ объясняются образованием классической гелевой структуры, а не истинным связыванием незамерзающей воды. Захват воды осуществляется сетью клеточных белковых нитей. При нагревании смесей КСБ-обезжиренное молоко вероятно образование сывороточно-казеинового комплекса. Однако для желатона не требуется добавление молока; нагревание 10% раствора КСБ с 50% твердых веществ в виде белка давало прочный гель без утечек. Превосходное сродство КСБ к воде показано на рис. 1. Различные количества КСБ (10% сухих веществ, 50% белка) добавляли к обезжиренному молоку, чтобы получить от 0,5 до 2% сывороточного белка в расчете на общий объем молока. Смеси нагревали до 85°С в течение 5 мин для денатурации белка и захвата воды. #POPOVER14#Вязкость#/POPOVER# обезжиренного молока сначала увеличивалась при добавлении всего лишь 0,6% добавленного сывороточного белка и быстро увеличивалась с этой точки. Когда обезжиренное молоко содержало 1,5% сывороточного протеина, образовывался гель, подобный заварному крему, с достаточной консистенцией, чтобы стоять без утечки при извлечении из контейнера. Напротив, для достижения сопоставимых результатов требовалось примерно в два раза больше яичного альбумина. Сродство к воде КСБ из чеддерской (сладкой) сыворотки было немного ниже , чем из творожной (кислой) сыворотки, но все же превосходило яичный альбумин.
Рисунок 1. Сродство сывороточного белка к воде, определяемое прочностью гелей, образующихся при нагревании концентрата сывороточного белка или яичного белка, добавленного к обезжиренному молоку.
Вязкость. Удельная вязкость, зависящая от содержания твердых веществ и белка, показана на рис. 2. Хотя содержание белка вносило вклад в вязкость.
Рисунок 2. Сравнение вязкости сыворотки и концентрата сывороточного белка (50% белка) при различных концентрациях
Таким образом, при перекачивании и переработке КСБ не должно возникать никаких проблем, поскольку значительного повышения вязкости не наблюдалось до тех пор, пока концентрация не достигала 45% сухих веществ. Испытания на пилотной установке показали, что из-за сродства к воде КСБ с содержанием сухих веществ выше 45% не может быть высушен на нашем оборудовании. Хотя может быть доступно другое оборудование, которое может сушить КСБ при такой концентрации, но нет реальной необходимости в выпаривании до более высоких сухих частиц.
Белковые ингредиенты часто добавляют в пищу для технических целей. Например, удержание воды улучшает свежесть хлебобулочных изделий. Наши данные помогают установить как количество питательных веществ, так и некоторые функциональные свойства. Вполне вероятно, что КСБ имеет множество применений в пищевой промышленности, и он найдет широкое применение по мере разработки конкретных приложений.