Universitatea BacăuFacultatea de Inginerie

PROIECT

Coordonator: Prof. Drd.Ing. Lucian Gavrilă

Student: Specializarea: I.P.A Grupa: 1032 B

2008

1

Tema proiectului:

Tehnologii de valorificare pentru subprodusele din industria laptelui

2

CUPRINS:

1.1. Introducere……………………………………………………………………..41.2. Laptele şi subprodusele laptelui ca surse de proteine………………….............51.2.1. Laptele degresat………………………………………………………………5

1.2.2. Zerul………………………………………………………………………….6

1.2.3. Zara…………………………………………………………………………...7

1.3. Structura şi proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor laptelui……………….7

1.3.1. Fracţiunea cazeinelor…………………………………………………………7

1.3.1.1. Structura primară…………………………………………………………...7

1.3.1.2. Structura secundară şi terţiară……………………………………………...8

1.3.1.3. Structura cuaternară…………………………………………………………9

1.3.2. Fracţiunea proteinelor serice…………………………………………………11

1.3.2.1. β - lactoglobulina……………………………………………………………111.3.2.2. α – lactalbumina…………………………………………………………….11

1.3.2.3. Imunoglobuline………………………………………………………………111.3.2.4. Serumalbumine……………………………………………………………....12

1.3.2.5. Proteoze-peptone………………………………………………………….....12

1.4. Influenţa tratamentelor termice asupra proteinelor laptelui………………….12.1.4.1. Influenţa temperaturii şi pH -ului asupra micelelor de cazeină……..……...121.4.2. Influenţa temperaturii şi pH-ului asupra proteinelor

serice……………………………………………………………….......131.5. Metode de obţinere a concentratelor proteice din subprodusele laptelui……..14

1.5.1. Metode de separare prin precipitare…………………………………………..14

1.5.1.1. Precipitarea cu acid clorhidric a cazeinei din laptele degresat……………14

1.5.1.2.Precipitarea cu clorură de calciu a proteinelor din laptele degresat……….151.5.1.3. Precipitarea, proteinelor cu alcooli…………………..……………….17

1.5.1.4. Precipitarea proteinelor cu acid poliacrilic……………….………….171.5.1.5. Precipitarea proteinelor cu hexametafosfat de sodiu………………...171.5.1.6. Precipitarea proteinelor cu feripolifosfat…………….……………….17

1.5.1.7 Precipitarea proteinelor cu carboximetiliceluloză (CMC)……………18

1.5.2 Metode de separare prin membrană………………………………...…181.5.2.1. Ultrafiltrarea……………………………………………………….….181.6. Proprietăţile funcţionale ale concentratelor proteice din lapte…………18

1.6.1. Solubilitatea.................................................................................................18

1.6.2. Capacitatea de spumare……………………………………...……….….18

3

1.6.3. Capacitatea de emulsionare.......................................................................19

1.6.4. Capacitatea de legare a apei………………………………………………..19

1.7. Reologia soluţiilor de concentrate proteice din lapte………………..……..191.8. Valoarea nutritivă a concentratelor proteice din

lapte…………………………………………………………………….201.9. Utilizarea concentratelor proteice în industria laptelui…………………..…20

1.9.1.2. Produse lactate cu destinaţie specială………………………..……..…....20

1.9.1.3. Produse lactate simulate……………………………………………..……21

1.10. Valorificarea laptelui degresat…………………………………………..…...221.10.1 Separarea cazeinei prin precipitare izoelectrică ……………………..…...221.10.2. Separarea cazeinei prin precipitare izoelectrică ……………………….....2310.2.1. Tehnologia de obţinere a cazeinaţilor………………………………….…..261.11. Valorificarea industrială a zerului…………………………………………...281.11.6. Valorificarea zerului sub formă de brânzeturi……………………………291.11.8. Domenii de utilizare a lactozei lactozei……………………………………301.12.5. Brânzeturi din zară………………………………………………………….32

4

Tehnologii de valorificare pentru subprodusele din industria laptelui

1.1. Introducere

Omenirea este confruntată cu o importantă criză a resurselor materiale şi energetice, context în care criza alimentară se situează în prim plan. In această situaţie, se impune ca o măsură de stringentă necesitate valorificarea în măsură cât mai mare a substanţelor utile din materiile secundare rezultate în industria alimentară.

Din principalele procese tehnologice care se realizează în industria laptelui rezultă trei produse secundare: laptele degresat, la separarea smântânii din lapte, zara, la fabricarea untului: zerul, la fabricarea brânzeturilor, a cazeinei şi a coprecipitatelor proteice.

Există şi alte produse secundare în industria - laptelui ca: permeatul obţinut la ultrafiltrare, melasa şi albumina rezultate la fabricarea lactozei, untul de caşcaval, apele de la spălarea untului etc, care conţin cantităţi apreciabile de substanţe utile.

Aceste produse secundare precum şi produsele care rezultă din prelucrarea industrială a lor pot fi utilizate in alimentaţia umană, pentru furajarea animalelor, precum şi în diferite scopuri tehnice (industria chimică, industria farmaceutică, industria hârtiei, industria textilăetc).

În prezent, pe plan mondial, există o intensă preocupare pentru o mai eficientă utilizare a substanţelor utile din produsele secundare rezultate în industria laptelui, accentuându-se în special valorificarea lor în alimentaţia umană. Progresele realizate în cercetarea ştiinţifică au făcut posibilă reevaluarea valori nutritive a acestor produse secundare, care, adesea, a fost în mod nejustificat discreditată. Procedeele tehnologice moderne, neconvenţionale, au permis o mai riguroasă şi eficientă separare a componentelor produselor secundare şi, în consecinţă, o mai bună prelucrare, conservare şi prezentare a lor. Se apreciază că, în prezent, numai 70% din proteinele şi lactoza laptelui se regăsesc în produsele lactate finite, restul fiind destinate furajării animalelor, transformate în produse tehnice sau evacuate în apele reziduale.

În general, fracţiunea negrasă a laptelui este insuficient valorificată în alimentaţie. Preocupări recente sunt îndreptate în direcţia perfecţionării procedeelor de obţinere a proteinelor cu un grad redus de denaturare, într-o formă cât mai pură. De asemenea, se constată creşterea interesului consumatorilor faţă de produsele lactate cu un conţinut mic de lipide şi, în consecinţă, cu o valoare energetică redusă, în care proteinele şi lactoza clin lapte sunt componente de bază. Există, în prezent, numeroase produse alimentare obţinute din substanţă uscată negresă a produselor secundare ale laptelui şi din grăsimi vegetale necolesterolice, destinate unei alimentaţii dietetice sau speciale.

Numeroasele metode preconizate în ultima vreme pentru valorificarea zerului, considerat până nu demult ca un deşeu al industriei laptelui, exprimă foarte sugestiv posibilităţile aproape nelimitate de utilizare superioară a substanţei negrase din lapte.

Produsele secundare rezultate din industria laptelui şi-au găsit utilizarea şi pentru obţinerea unor produse chimice sau farmaceutice dintre care putem aminti galalitul, lanitalul, cleiurile, lactatul de calciu, lactoza, găsindu-se soluţii tehnice noi în locul celor abandonate, bazate mai ales pe proprietăţile specifice ale proteinei şi lactozei.

5

1.2. Laptele şi subprodusele laptelui ca surse de proteine

Laptele prezintă o compoziţie complexă cu patru grupe de componente principale: substanţe azotoase, glucide, lipide şi săruri minerale. În afara acestora, în lapte sunt prezente şi o serie de alte substanţe în proporţii mai reduse, dar cu importanţă mare în alimentaţie sau tehnologie. Subprodusele laptelui au o compoziţie dependentă de materia primă utilizată în fabricarea produsului de bază, precum şi de procesul tehnologic aplicat /3/.

Ca sursă convenţională de proteină animală laptele se situează pe locul al doilea, după carne, în privinţa aportului proteic în alimentaţia umană . Din punct de vedere calitativ, proteinele laptelui se situează de asemenea pe locul al doilea, dar înaintea proteinelor din came, ca urmare a compoziţiei aminoacide favorabile şi a gradului ridicat de asimilare. Proteinele laptelui sunt, în comparaţie cu alte proteine naturale, bogate în aminoacizi esenţiali, ceea ce le conferă o mare valoare biologică. De mare importanţă este concentraţia aminoacizilor esenţiali, poziţia acestora în molecula proteinei de care depinde gradul de asimilare. Astfel, deşi concentraţia aminoacidului lizină în proteina din muşchiul de vită este mai ridicată decât în proteina din lapte, gradul de utilizare este superior pentru lizina din proteina laptelui /13/.

1.2.1. Laptele degresat

Dintre subprodusele laptelui, laptele degresat are cel mai ridicat conţinut de proteine,care reprezintă - circa 40% din conţinutul său în substanţă uscată. Compoziţia laptelui degresat este prezentată în tabelul 1.1. Substanţele azotoase sunt reprezentate de cazeină (2,6%), proteine serice (0,7%) şi substanţe azotoase neproteice. Concentraţia în glucide (lactoză) este foarte apropiată de cea a laptelui integral, deoarece în grăsimea separată din laptele integral trec numai urme de lactoză. Concentraţia in grăsime este in general sub l%,fiind in funcţie de starea tehnica a separatorului centrifugal cu care se realizează operaţia de degresare. Concentraţia în substanţe saline fiind asemănătoare cu a

Compoziţia medie a laptelui degresatComponente Concentraţia

(gram /1OOg)Substanţă uscată

9,1

Substanţe azotoase

3,5

Lactoză 4,9Grăsime 0,05Substanţe minerale

0,6

Potasiu 0,140Calciu 0,125Clor 0,103Fosfor 0.096Sodiu 0,056Magneziu 0,012Sulf 0,025

laptelui integral, laptele degresat constituie o importantă sursă de potasiu şi calciu pentru alimentaţie /l 1/.

1.2.2. Zerul

Zerul este subprodusul rezultat la fabricarea brânzeturi lor, cazeinei şi coprecipitatelor proteice. Compoziţia sa variază în funcţie de caracteristicile laptelui din care provine şi procesul de fabricaţie al produsului principal (în special procedeul de coagulare), în general, zerul conţine 6-6,5% substanţă uscată, ceea ce reprezintă mai mult de jumătate din substanţa uscată a laptelui (tabelul 1.2).

Tabela! 1.2.

Compoziţia medie a zeruluiTipul de zer

Apă %

Proteine %

Grăsime %

Lactoză %

Acid lactic %

Cenuşă %

Zer dulce

93.5 0,8 0,3 4,7 0.2 0,5

Zer acid 93,5 0,9 0,2 4.2 0.6 0.6

În funcţie de provenienţă, există două tipuri de zer: - Zer dulce, rezultat la coagularea enzimatică a laptelui (la fabricarea brânzeturilor

fermentate).- Zer acid, rezultat fie Ia fabricarea brânzeturilor proaspete sau moi, fie la fabricarea cazeinei lactice.

Zara 1.2.3

Tabelul 1.3.

Zara reprezintă subprodusul rezultat la fabricarea untului prin procedeul de aglomerare discontinuă sau continuă. în cazul smântânii dulci, zara are o compoziţie asemănătoare laptelui degresat care a fost încălzit la temperaturi ridicate(tabelul 1.3).

Zara din smântână acidă are un conţinut mai redus de cazeină, care rămâne parţial fixată pe granulele de unt

1.3. Structura şi proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor laptelui

Principalele fracţiuni proteice prezente în lapte sunt cazeinele şi proteinele serice.

1.3.1. Fracţiunea cazeinelor

Cazeinele sunt fosfoproteide care sunt precipitate din laptele degresat prin acidifiere la pH 4,6 la 20°C. Nomenclatura şi definirea diferitelor fracţiuni cazeinice a fost stabilita de Rose ş.a., /12/,Groves Arman şi Manşon 121. Variantele genetice ale diferitelor cazeine au fost trecute în revistă de Aschaffenburg, iar semnificaţia lor biologică a fost analizată de Farrell şi Thompson /5/.

1.3.1.1. Structura primară

Pe baza mobilităţii electroforetice, cazeinele pot fi împărţite în următoarele grupe: α s -cazeine, β - cazeine, k - cazeine şi Ϋ cazeine.

αs - cazeine. Grupul αs - cazeinelor constă dintr-un component principal, αs1 - cazeina şi câteva componente minore, αs - cazeinele au cea mai mare mobilitate electroforetică. Sunt precipitate cu CaC12 1,4M la pH 7,0 şi 40C şi sunt protejate de k - cazeină împotriva precipitării cu chimozină. Sunt cunoscute 4 variante genetice ale αsl - cazeinei. În ordinea descreşterii mobilităţii electroforetice pe gel de amidon la pH 8.6, în uree 7M, acestea sunt A, D, B şi C.

Compoziţia medie a

zareiComponente %Substanţă uscată

9

Substanţe azotoase

3.4

Lactoză 4,5

Grăsime 0,4

Substanţe minerale

0.7

Mercier ş.a. /9/ au stabilit structura primară a tuturor variantelor cunoscute ale αs1

cazeinei, dând o definiţie clară a acestor proteine.Din cauza proporţiilor reduse în care sunt prezente şi a dificultăţilor apărute la

caracterizarea lor, nomenclatura fracţiunilor minore ale as-cazeinei a fost mult timp confuză.

În prezent este acceptată nomenclatura propusă de Annan şi Manson, potrivit căreia componentele fracţiunii αs - cazeinei sunt identificate ţinând seama de mobilităţile electroforetice descrescânde pe gel de amidon sau poliacrilamidă, în prezenţa ureei. Acestea sunt αs0 , αs1 , αs2 , şi αs5-cazeina. Dintre aceste componente, αs0 este similar cu αs1 , air αs2 ,

αs3 , αs4 , şi αs5 sunt similare una cu celălaltă şi conţin legături disulfidice sau grupe tiol.β - cazeina. Structura primară a β - cazeinei a fost elucidată de Ribadeau-Dumas /10/.

În urma unei analize secvenţiale complete a β - cazeinei A2 s-a stabilit că aceasta constă dintr-un lanţ polipeptidic unic, format din 209 resturi de aminoacizi.

Y - cazeina. Gordon ş.a., remarcând natura eterogenă a fracţiunii Y - cazeinice, consideră că Y - cazeina integrală este fracţiunea cazeinei integrale, solubilă în uree 1,7M la pH 4,7, după adăugarea de (NH4) 2 SO4. Proteina specifică Y - cazeina, componentă a y - cazeinei integrale, a fost definită ca o fracţiune eludată dintr-o coloană de DEAE celuloză cu tampon fosfat 0,2M la pH 8,3.

Componentele rămase au fost denumite R-, S-, şi TS - cazeine. Groves ş.a. au stabilit relaţia structurală între β - cazeină şi fracţiunea y - cazeină integrală. Toţi componenţii acestei fracţiuni s-au dovedit a fi identici cu fragmentele de β - cazeină.

K - cazeina. Este cunoscută ca un component stabilizator al micelelor de cazeină. Se prezintă sub forma unui amestec de polimeri de k - cazeină, menţinuţi împreună prin legături disulfidice intermoleculare. Sunt cunoscute două variante genetice ale k - cazeinei. Electroforeza ambelor variante pe gel alcalin în prezenţă de mercaptoetanol şi uree prezintă câteva benzi cu mobilităţi mai mici decât ale β - cazeinei. Aceasta se datorează conţinutului diferit în glucide ale acestor k - cazeine, care variază de la 0 la 5 lanţuri glucidice. .

K - cazeina joacă un rol de ,, coloid protector" pentru celelalte cazeine. Este săracă în fosfor, în schimb are un conţinut ridicat în serină şi treonină şi două resturi de cisteină în molecula nativă. Lucrări recente au stabilit că punctul de atac al chimozinei îl constituie legăturile între restul de fenilalanină din poziţia 105 a lanţului polipeptidic şi restul de metionină din poziţia 106.

1.3.1.2. Structura secundară şi terţiară.

În moleculele de cazeină structura α - helix este slab reprezentată. Sub acţiunea metanolului se formează cantităţi semnificative de α - helix, în timp ce prin modificarea grupărilor amino se formează mai puţină structură α - helix. Studiile de rezonanţă magnetică au demonstrat că deşi moleculele de cazeină sunt destul de compacte, există o flexibilitate internă considerabilă, în special β - cazeină. Încălzirea αs1 - cazeinei determină o creştere a flexibilităţii moleculei.

1.3.1.3. Structura cuaternară.

Primele studii privind asocierea componentelor cazeinice au fost întreprinse de Mc Kenzie şi Thompson ş.a. care semnalează asocierea şi agregarea α s - cazeinei, iar Bingham, studiind agregarea β - cazeinei, determină condiţiile de temperatură şi pH privind solubilizarea agregatelor formate. Ceeseman stabileşte că prin încălzire, k - cazeina se asociază sub forma unui material polimeric, ale cărui subunităţi sunt legate prin legături disulfidice. Acest material polimeric stabilizează αs1 – cazeina împotriva precipitării în prezenţa ionilor de Ca2+. Carroll şi Thompson au realizat încercări de simulare a micelelor naturale de cazeină, stabilind influenţa diverselor tratamente termice şi mecanice asupra stabilităţii agregatelor formate.

Structura micelelor naturale de cazeină.

În laptele neîncălzit, cazeinele se prezintă sub forma unor complexe solubile, cu o structură organizată superioară, numite micele. în laptele degresat există cea 5 g micele la 100 ml, care pot fi separate prin ultracentrifugare exhaustivă. Structura micelară este stabilizată în special prin legături hidrofobe şi o reţea de fosfat coloidal, cu tipuri multiple de legături. Fosfatul coloidal conţine 66% din calciul total, 33% din magneziu, 50% din fosfatul anorganic şi 10% din cifratul din laptele degresat. îndepărtarea treptată a calciului clin micele determină o dezagregare reversibilă a cazeinei (în special a β - cazeinei) din micele, cu modificarea razei ei hidrodinamice . îndepărtarea în cantităţi mai mari a calciului determină o dezagregare ireversibilă a reţelei micelare. Micelele sunt compuse din subunităţi de mărime uniformă, compactă, care au diametrul de 10+20 nm. Se crede că aceste subunităţi de formă sferică, ocupă mai puţin de jumătate din volumul intern al micelelor. Structura poroasă a micelelor explică proprietăţile de disociere rapidă a acestora şi permite difuziunea rapidă a ionilor. în încercarea de a explica unele proprietăţi ale micelelor de cazeină, au fost propuse diferite modele de structură a micelelor.

Waugh ş.a citat de Farrel /5/ consideră că formarea micelelor are loc în prezenţa k -cazeinei, nucleul polimerului fiind formal din monomeri de αs1 - cazeină şi β - cazeină..

K - cazeina realizează o stabilizare coloidală prin formarea la suprafaţă a unui înveliş periferic. În absenţa k - cazeinei, nucleele polimerilor ating o dimensiune limită, după care aglutinează şi precipită din soluţie.

Parry şi Carroll (citaţi de Farrell /5/) folosind microscopia electronică, constată ocantitate redusă de k - cazeină la suprafaţa micelelor şi propun un model , în care k - cazeina se găseşte în interiorul micelelor, servind ca punct de nucleaţie în jurul căruia cazeinaţii insolubili de calciu se aglomerează şi sunt stabilizaţi. Totodată se consideră că cea 30% din k - cazeină se găseşte sub formă nemicelară, asociată cu mici cantităţi de α s1 şi β - cazeină.

Rose propune un model în care monoinerii de β - cazeină încep o autoasociere în lanţuri de polimeri la care se ataşează şi monomerii de a αs - cazeină, iar k - cazeina interacţionează cu aceştia din urmă (fig. 1.1). În modelul propus, β - cazeina este orientată către interior, iar k - cazeina spre exterior. După formarea micelelor, se încorporează fosfatul de calciu coloidal ca agent de stabilizare.

Fig. 1.1: Modelul structurii micelei de cazeină după Rose.

Garnier şi Ribadeau-Dumas /6/ propun un model (fig. 1.2) în care k - cazeina se găseşte sub formă de nimeri, ce constituie nodurile unei reţele, de la care radiază trei lanţuri de αs1 cazeină şi β - cazeină (structură cu legături în Y). în acest model, k - cazeina reprezintă nodurile unui ansamblu tridimensional, a cărui formă tinde să devină sferică, pe măsură ce micela creste.

Fig. 1.2: Modelul structurii micelei de cazeină nativă propus de Garnier şi Ribadeau-Dumas.

Morr, studiind ruperea micelelor de cazeină, consideră că agregarea monomerilor de αs1, β şi k - cazeină se realizează prin intermediul calciului în subunităţi mici, cu aceeaşi formă cu cea propusă de Waugh pentru micela întreagă. Subunităţile sunt agregate la structura micelară de către fosfatul de calciu coloidal.

Fig. 1.5: Modelul micelei de cazeină după Morr/209/. S - fosfat de calciu coloidal

Stattery şi Evard au propus un model pentru micelele de cazeină, a cărui trăsătură distinctivă este distribuţia asimetrică a subunităţilor provenite din autoasocierea k - cazeinei care conferă micelelor proprietăţi hidrofile. Monomerii de αs şi β - cazeină, care formează o suprafaţă hidrofobă, interacţionează cu suprafaţa subunităţilor adiacente, formând micele sub formă de ciorchine.

1.3.2. Fracţiunea proteinelor serice

Proteinele din zer reprezintă o fracţiune foarte complexă, formată din substanţele nedializabile care rămân în zer după precipitarea cazeinei la pH 4,6. Proteinele zerului reprezintă aproximativ 17% din totalul proteinelor laptelui de vacă, fiind constituite din β -lactoglobulină, α - lactalbumină, imunoglobulină, serumalbumină şi proteoze - peptone.

1.3.2.1. β - lactoglobulina

β -lactoglobulină este proteina principală a zerului, în care se găseşte în proporţie de 2-3 grame la litru . Farrell şi Tompson au semnalat că β - lactoglobulină există în lapte sub forma unor variante genetice (A, B, C, D).

Structura primară. Structura primară a β - lactoglobulină varianta A constă dintr-un lanţ de 162 resturi de aminoacizi, existând o singură grupare sulfhidril, distribuită egal între poziţiile 119 şi 121.

Structura secundară şi terţiară. Prin analiză spectrală în infraroşu s-a stabilit că lanţul polipeptidic al β - lactoglobulinei are o structură compusă din 10+17% α - helix, 24+42% P -structură antiparalelă, restul fiind structura dezordonată.

1.3.2.2. α - lactalbumina

α - lactalbumină este prezentă în orice lapte care conţine lactoză, fiind utilizată la biosinteza acesteia. Mecanismul acţiunii α - lactalbuminei poate fi schematizată conform reacţiei.

UD P-galactoză + glucoza —> lactoză + UDP Structura primară. Structura primară a a - lactalbuminei constă dintr-un lanţ de 123

resturi de aminoacizi, având greutatea moleculară calculată de 14.174. Secvenţa aminoacizilor în α - lactalbumină este similară celei a lizozimelor.

Structura secundară şi terţiară. Deşi din studiul cristalografic cu raze x a α -lactalbuminei nu a rezultat o structură tridimensională, analogia secvenţei aminoacizilor a -lactalbuminei cu cea a lizozimei din ou a condus la adoptarea pentru α - lactalbumină a unui model tridimensional, bazat pe coordonatele lizozimei din albuşul oului de găină.

În intervalul de pH 5,4+9, α - lactalbumină are o conformaţie stabilă, structura fiind constituită din 26% α - helix, 14% β - structură, şi 60% structură dezordonată.

α - lactalbumină are cea mai ridicată termostabilitate dintre toate proteinele zerului. În laptele încălzit denaturarea sa urmează cinetica unei reacţii de ordinul 1, dar este evident că denaturarea este iniţiată prin atacul grupărilor tiol ale β - lactoglobulinei asupra legăturilor disulfidice ale a α - lactalbuminei.

1.3.2.3. Imunoglobuline

Imunoglobulinele sunt unice printre proteinele laptelui, atât în ceea ce priveşte genetica moleculară a sintezei, cât şi în privinţa eterogenităţii şi a funcţiei lor. Ele sunt glicoproteine mari care includ toate moleculele cu activitate antigenică.

Imunoglobulinele sunt prezente în serul sângelui, în lapte şi în colesterol. În colostru au fost semnalate şi caracterizate 3 clase de imunoglobuline: Ig G, Ig A şi Ig M.

Structura primară. Imunoglobulinele se prezintă ca monomeri ai unui lanţ de patru polipeptide, legat la rândul său cu un lanţ polipeptidic adiţional. Cele patru lăuturi polipeptidice ale monomerului de imunoglobulină sunt legate între ele prin legături disulfidice.

Structura secundară şi terţiară. Utilizând metoda difracţiei razelor x pentru studiul structurii Ig Gt, s-a stabilit că imunoglobuline structura a-helix este neglijabilă.

Structura cuaternară. Ig G şi tetramerii în Ig M sunt în formă de Y sau T, articulaţia centrală fiind flexibilă. In Ig M, cei 5 tetrameri în formă de Y, formează un careu cu 5 braţe ramificate proiectate în afară.

1.3.2.4. Serumalbumine

Sub aspectul compoziţiei în aminoacizi, al masei moleculare şi al cineticii denaturării termice, această fracţiune proteică este identică cu serumalbumina sanguină. S-a demonstrat că molecula serumalbuminei este formată dintr-un singur lanţ peptidic, cu o grupare SH liberă în poziţia 34 şi 17 legături disulfidice intramoleculare.

1.3.2.5. Proteoze-peptone

Fracţiunea proteoze-peptone a fost caracterizată ca fiind un amestec de fosfoglicoproteine termostabile, solubile în soluţie acidă la pH 4,6 şi insolubile în acid triclor acetic 12%. Principalele componente ale acestei fracţiuni au fost notate cu 3,5 şi 8 şi au fost identificate în ordinea crescândă a mobilităţii electroforetice în soluţie tampon Veronal la pH S,6 şi 2°C.

Componenta 3. Este singura prezentă în fracţiunea proteică din zerul provenit din laptele degresat şi se pare că migrează ca o componentă individuală în timpul electroforezei pe gel de amidon. Are un conţinut ridicai de glucide şi un conţinut redus de aminoacizi aromatici şi cu sulf.

Componenta 5. este distribuită între micelele de cazeină şi serul laptelui degresat şi este precipitată parţial pe cazeină prin aducerea pH-ului ia valoarea 4,6. Are un conţinut redus de glucide şi un conţinut ridicat de prolină.

Componenta 8 a fost separată pin cromatografie pe Bio-Gel P-10 în două componente: componenta 8 rapidă şi componenta 8 lentă.

1.4. Influenţa tratamentelor termice asupra proteinelor laptelui

Tratamentele termice sunt cele mai frecvente şi mai importante tratamente suferite de proteinele laptelui în cursul proceselor tehnologice de obţinere a concentratelor proteice (răcirea laptelui după muls, pasteurizarea laptelui degresat sau a zerului, încălzirea în vederea precipitării în mediu acid a cazeinei din laptele degresat, încălzirea soluţiilor de cazeină în vederea solubilizării în mediu alcalin, uscarea prin pulverizare a cazeinaţilor alcalini etc.

1.4.1. Influenţa temperaturii şi pH -ului asupra micelelor de cazeină.

Răcirea laptelui proaspăt muls determină mobilizarea calciului şi a cazeinei solubile (în special la β – cazeine din micele, procesul fiind reversibil. In intervalul 0-5°C micelele sunt moi, gelatinoase şi uşor dispersabile în soluţii tampon, în timp ce în intervalul 35-40°C micelele sunt fragile şi se redispersează dificil.

Modificarea pH-ului laptelui determină modificarea micelelor. Coborârea pH-ului până la 5 are drept efect o mobilizare a cazeinei din micele (tabelul 1.4), determinată de disocierea şi dizolvarea fosfatului de calciu coloidal. Solubilitatea micelelor este minimă la pil 6,6 şi maximă la pH 5,0 şi 7,5.

Tabelul 1.4.Influenţa temperaturii şi pH-ului asupra compoziţiei micelelor de cazeină.

Temperatura °C pH0 + 5 35 + 40 5.0 6.6 7.5

% %Cazeină 20 2S 15.5 19.6 15.8Calciu 0.7 1.0 0.16 0.67 0.66Fosfor

anorganic0.24 0.29 0.05 0.25 0.22

Fosfor coloidal

0.45 0.63 0.09 0.42 0.41

1.4.2. Influenţa temperaturii şi pH-ului asupra proteinelorserice

Tratamentele termice pot determina o serie de reacţii chimice, între care un rol predominant îl joacă denaturarea proteinelor. La temperaturi de peste 60°C, proteinele serice suferă un proces de denaturare, care cuprinde o serie de modificări în structura secundară şi terţiara a proteinelor, fără a fi afectate legăturile covalente prezente în structura primară. Denaturarea proteinelor serice se manifestă printr-o micşorare a solubilităţii la pH = 4,6 + 5,0. În mod obişnuit, procesul de denaturare este ireversibil, mai ales in cazul prelungirii duratei tratamentului termic sau adăugării substanţelor chimice.

La temperaturi care nu depăşesc 100°C, denaturarea proteinelor laptelui este limitată, viteza do denaturare a fracţiunilor proteice solubile fiind diferită; cele mai sensibile sunt imunoglobulinele, acestea fiind complet denaturate la 70°C.

β - lactoglobulina are o termolabilitate intermediară, fiind denaturată la 79+S0°C, în timp ce α - lactalbumina este cea mai termorezistentă, fiind denaturată Ia 96+114°C.

Studiul procesului de denaturare termică a proteinelor serice prin metode de electroforeză zonală, imunoelectroforeză şi analiză termică diferenţială, a stabilit că temperatura de denaturare este în strânsă legătură cu pH-ul soluţiei. Astfel, β -lactoglobulina a fost complet denaturată la 81,5°C şi pH 5; ridicarea pH-ului soluţiei la valoarea 9 a determinat scăderea temperaturii de denaturare până la 66,5°C.

Termolabilitatea proteinelor serice se micşorează la concentraţii ridicate de proteine. Neilsen, analizând cu ajutorul computerului influenţa temperaturii, a timpului de încălzire, a pH-ului şi a concentraţiei în substanţa uscată, a stabilit că la temperatura de 90°C, denaturarea maximă a proteinelor serice se produce în urma unei încălziri cu o durată de 12+20 minute.

Denaturarea proteinelor serice prin încălzire este însoţită de creşterea reactivităţii grupărilor sulfhidrilice, care rezultă din modificarea structurală a moleculei de proteină. Eliberarea grupărilor SH este în strânsă legătură cu formarea în laptele încălzit a unui complex între k - cazeină şi β - lactoglobulină. Căldura induce schimbări structurale atât în

β - lactoglobulină cât şi în micelele de cazeină, determinând asocierea lor fie prin agregare fizică, fie prin formarea de legături necovalente intermoleculare.

În laptele degresat crud, β - lactoglobulina se găseşte sub forma unor dimeri cu greutatea moleculară 36000 dar la temperaturi peste 55°C, β - lactoglobulina începe să-şi piardă structura globulară, grupările tiol şi disulficl devin mai reactive şi moleculele suferă reacţii de agregare primară prin formarea de legături disulfidice intermoleculare. Agregatele formate în prima etapă nu sedimentează la 1000 x g, spre deosebire de agregatele formate în a doua etapă, care presupune şi prezenţa ionilor de calciu. Se stabileşte că numai sub formă agregată β - lactoglobulina este capabilă de asociere cu k - cazeina.

Pe de altă parte, în laptele degresat crud, k - cazeina există sub forma unui complex coloidal de cazeinat (micele), împreună cu α- şi β - cazeina. Suprafaţa acestor micele este bogată în k - cazeină şi deci disponibilă de a reacţiona cu β - lactoglobulina. S-a demonstrat că gradul de interacţiune a celor două proteine atinge valoarea maximă la 85°C, scăzând apoi uşor cu creşterea temperaturii. Complexul format între k - cazeină şi β - lactoglobulină în cursul încălzirii influenţează stabilitatea termică a laptelui şi a concentratelor proteice din lapte.

1.5. Metode de obţinere a concentratelor proteice din subprodusele laptelui

În scopul obţinerii unor concentrate proteice valoroase, cu un conţinut ridicat în aminoacizi esenţiali şi proprietăţi funcţionale corespunzătoare, este necesară separarea prealabilă a proteinelor din subprodusele laptelui. în acest scop sunt utilizate metode variate, care pentru sistematizare pot fi clasificate în următoarele categorii:

- metode de separare prin precipitare.- metode de separare prin membrană.- metode de separare prin filtrare de gel.

1.5.1. Metode de separare prin precipitare

Atât cazeina, cât şi proteinele serice pot fi separate din subprodusele laptelui prin precipitare selectivă, în anumite condiţii de temperatură şi pH. Ca agenţi precipitanţi sunt ' utilizaţi electroliţii (alcool, acizi organici, polifosfaţi etc).

1.5.1.1. Precipitarea cu acid clorhidric a cazeinei din laptele degresat

Aşa cum s-a arătat, cazeina este prezentă în lapte sub forma unor agregate micelare polidisperse, în asociaţie cu calciul şi fosforul şi în proporţie mai redusă cu magneziu şi cu citrat.

Îndepărtarea treptată a calciului din micele determină o dezagregare reversibilă a cazeinei (în special a β - cazeinei). Coborârea pH-ului laptelui are drept rezultat disocierea şi solubilizarea fosfatului coloidal de calciu. Calciul este deplasat din micelele de cazeina de către ionii de hidroniu H30+, iar fosfatul de calciu este transformat în ioni de Ca2+ şi H2

PO4. La pH 5,3 cazeina începe să precipite din soluţie, precipitarea fiind maximă la pH 4,62 (punctul izoelectric).

Temperatura de precipitare are o influenţă importantă asupra tipului de precipitat format. Astfel, precipitatul format la temperaturi sub 35°C este moale, format din particule fine, în timp ce la temperaturi intre 35 şi 3S°C, precipitatul este grosier.

Din punct de vedere tehnologic, precipitarea cu acizi a cazeinei din laptele degresat poate fi realizată discontinuu sau continuu, ultimul procedeu prezentând avantajul unui randament superior, pierderile nedepăşind 1+2%. Indiferent de metoda de precipitare,

precipitatul obţinut trebuie spălat, în vederea îndepărtării acizilor, sărurilor, proteinelor solubile şi lactozei.

După presare pentru îndepărtarea excesului de umiditate, cazeina poate fi uscată, în vederea depozitării. Cazeina astfel obţinută, este insolubilă în apă, având o funcţionalitate redusă. Pentru utilizarea în calitate de concentrat proteic este necesară o formă solubilă a cazeinei, obţinută prin tratament alcalin care este denumită cazeinat. În vederea obţinerii unei soluţii omogene se utilizează un agent solubilizant capabil să treacă în soluţie particulele individuale de cazeină.

În mod obişnuit, agentul solubilizant este o substanţă alcalină (hidroxid de sodiu, bicarbonat de sodiu, hidroxid de calciu, hidroxid de potasiu etc), iar cazeiuatul obţinut, având denumirea metalului respectiv, este o soluţie adevărată în intervalul de pH 6,5 -7,0.

Deşi teoretic se pot obţine cazeinaţi utilizând ca agent solubilizant orice hidroxid alcalin, prezintă interes practic doar cazeinatul de sodiu şi, în măsura mai mică, cazeinatul de calciu.

Solubilizarea cazeinei este o operaţie deosebit de importantă, fiind influenţată de o serie de factori (concentraţia în substanţă uscată, temperatură, pH, concentraţia în diferiţi ioni etc.) care determină caracteristicile reologice ale produsului finit. Compoziţia chimică a cazeinaţilor (tabelul 1.6) variază în limite destul de largi, aşa cum se vede în tabelul 1.6.

Tabelul 1.5

Compoziţia chimică a cazeinaţilor de sodiu (valori medii)

ComponentulNorme FIL Cazeinad

e sodiu SUA

Cazeinat de sodiu

Australia

Cazeinat de sodiu Africa

de Sud

Cazeinat de sodiu Unilact

Extra Călit. I

Proteine, %min

8,8 85 90 90 S7 86

Grăsime, %max

2 1,5 2,0 i,8 1,4

Lactoză, %max

0,5 0,5 2,0 2,0 2,0 2,S

Cenuşă, %max

4,0 4,0 4,0 4,0 4,5 4,8

Umiditate,%max

6 8 3,5 5,0 4.5 4.7

1.5.1.2. Precipitarea cu clorură de calciu a proteinelor din laptele degresat (coprecipitarea)

Prin precipitarea izoelectrică se pot separa circa 80% din proteinele laptelui (fracţiunea cazeinică). Pentru a mări randamentul de separare al proteinelor laptelui se recurge la precipitarea simultană a fracţiunii cazeinice şi a proteinelor serice prin utilizarea clorurii de calciu ca electrolit precipitant (în anumite condiţii de pH) şi a căldurii ca agent denaturant al proteinelor serice. Separarea simultană în aceste condiţii a celor două fracţiuni proteice este posibilă, ca urmare a formării în laptele supus unui tratament termic de o anumită intensitate, a unui complex între k - cazeină şi β - lactoglobulină. Prin alegerea unor condiţii adecvate de precipitare se poate obţine un produs care să conţină aproape întreaga cantitate de proteine din laptele degresat. Aceste condiţii presupun o anumită concentraţie de clorură de calciu în soluţie şi un tratament termic deteminant ca durată şi intensitate.

Variind concentraţia electrolitului precipitant, pH-ul de precipitare şi durata de menţinere la temperatura de formare a complexului k - cazeină- β - lactoglobulină, se poate regia în mod convenabil, conţinutul de calciu al precipitatelor, fiind posibilă obţinerea a trei tipuri de coprecipitate.

- Cu conţinut redus de calciu obţinut prin adăugarea clorurii de calciu în proporţie de 0,03% faţă de laptele degresat prelucrat, urmată de încălzirea la 91°C cu menţinerea timp de 15-20 minute; urmează precipitarea la pH 4,6, prin adaos de acid.

-Cu conţinui mediu de calciu (1,5%), obţinut prin adăugarea clorurii de calciu în proporţie de 0,06% faţă de laptele degresat prelucrat, încălzire ia 91°C cu menţinere 10-12 minute şi precipitare la pH 5,3.

- Cu conţinut ridicat de calciu (2,5-3%), realizat prin încălzirea laptelui la 91°C cu menţinere 1 - 2 minute şi adăugarea clorurii de calciu în proporţie de 0,2% faţă de laptele prelucrat; urmează menţinerea laptelui în aceste condiţii timp de 20-25 s, după care are loc precipitarea fără a fi necesară reducerea pH-ului.

Proprietăţile de solubilizare a coprecipitatelor proteice variază în funcţie de concentraţia de calciu a coprecipitatului respectiv. Astfel, coprecipitatul proteic cu conţinut redus de calciu are proprietăţi de solubilizare similare cu cele ale cazeinei, pentru trecerea sa în soluţie fiind suficientă o reglare corespunzătoare a pH-ului, în timp ce pentru solubilizarea coprecipitatelor cu conţinut mediu şi ridicai de calciu este necesar un agent care să reţină calciul (tripolifosfat de sodiu).

În ceea ce priveşte, solubilitatea coprecipitateior la reconstituirea în apă, aceasta este influenţată de modul de realizare a operaţiei de deshidratare. Coprecipitatele deshidratate în uscătoare pentru cazeină se solubilizează mai greu decât cele deshidratate prin pulverizare sau prin fluidizare.

Tabelul 1.6.

.Compoziţia chimică a coprecipitateior proteice (valori medii)

Componentul Produs Granular

Produs uscat prin pulverizareCoprecipitat

AustraliaCoprecipitat

PoloniaCoprecipitat UNILACT

Proteine 82.0 86.0 85.0 83,5Grăsime 1.5 1,5 1.5 1,55Lactoză 1.0 1,0 .1.5 2,0

Cenuşă (inclusiv Ca)

8,5 7.5 7,5 7,5

Calciu 2,5 1.5 1.5 0.5Umiditate 7.0 4,0 4.5 5.5

Tabelul 1.7.

Compoziţia comparativă a unor concentrate proteice obţinute prin precipitare cu alcoolii

TemperaturaCompoziţia cone. uscat prin pulverizare

Alcoolul proteine lactoză Subst. minerale°C % % %

Metanol 0-5 46,0 18,0 18,530 38,0 38,0 25.5

Elanol0-5; 30 37,0

31,537,0 31,5

23,0; 28,0

n-propanol 0-5; 30 46,5 36,0 46,5 36.0

20,0; 28,0

n-butanol 0-5; 30 12,0 20.5 12,0 20.5

10,5; 16.5

1.5.1.5. Precipitarea, proteinelor cu alcooli

Capacitatea alcoolilor cu lanţ scurt de atomi de carbon de a destabiliza şi precipita proteinele dintr-o soluţie apoasă este utilizată în scopul separării proteinelor din zer sub forma unui concentrat proteic. Randamentul de recuperare a proteinelor din zerul acid variază între 45-65%, în funcţie de alcoolul (cu concentraţia 72%) utilizat pentru precipitare. Concentratul proteic obţinut cu etanol, deşi are un conţinut proteic uşor mai scăzut în comparaţie cu concentratele obţinute cu metanol şi n-propanol (tabelul 1.7.) este preferat datorită solubilităţii sale ridicate în apă şi în soluţiile neutre.

1.5.1.6. Precipitarea proteinelor cu acid poliacrilic

Proteinele din zer pot fi precipitate cu acid poliacrilic, la temperatura camerei, conform schemei din fig. 1.7.

Metoda permite obţinerea unui concentrat cu un conţinut ridicat de proteine, agentul precipitant fiind prezent doar sub formă de urme (tabelul 1.9).

Solubilitatea ridicată a concentratului obţinut atestă o denaturare minimă a proteinelor din zer.

1.5.1.5. Precipitarea proteinelor cu hexametafosfat de sodiu

Metoda se bazează pe acţiunea complexantă a hexametafosfatului de sodiu asupra proteinelor din zer. Concentraţia în proteine a concentratului poate fi mărită prin gel filtrare.

Îndepărtarea din concentratul proteic al hexametafosfatului se realizează prin gel filtrare sau prin tratament cu schimbători de ioni.

1.5.16. Precipitarea proteinelor cu feripolifosfatMetoda se bazează pe acţiunea precipitantă, în mediu acid, a ionilor Fe3+ asupra proteinelor din zer. Hazel ş.a. au obţinut un concentrat sub forma unei pulberi albe, pufoase, utilizând complexul format între ionul Fe3+ şi anionul fosfat. Precipitarea proteinelor din zer se face la temperatura camerei şi pH 3,5-3,8. După decantare şi sifonarea supernatantului, lichidul rezidual se îndepărtează prin centrifugare. Precipitatul, spălat cu apă distilată şi uscat prin liofizare, are o textură uniformă şi conţine până la 12% fier.

1.5.1.7. Precipitarea proteinelor cu carboximetiliceluloză (CMC)

Metoda se bazează pe proprietatea unor gume şi substanţe hemicelulozice de a forma complexe insolubile cu proteinele, după un mecanism care include formarea unor legături ionice şi de hidrogen. în concentraţie de 0,6-0,7%, carboximetilceluloza precipită cea 77% din proteinele existente în laptele degresat, randamentul de precipitare fiind dependent de pH şi de prezenţa ionilor de Ca2+.

Concentratul proteic astfel obţinut conţine, sub forma nedenaturată, majoritatea cazeinei prezente în laptele degresat, precum şi o parte din proteinele serice.

Uscarea prin pulverizare a acestui concentrat conduce la obţinerea unei pulberi cu unconţinut-ridicat de proteine şi o capacitate excepţională de legare a apei.

S-a stabilit că variind condiţiile de precipitare, există posibilitatea, fie a precipităriimajorităţii proteinelor zerului într-o singură etapă, fie a unei precipitări selective.

1.5.2. Metode de separare prin membrană

Utilizând procedeele de separare prin membrană se pot realiza efecte variate:separarea substanţelor proteice (ultrafiltrare), concentrarea prin eliminarea apei (osmoză inversă) sau deamieralizarea laptelui degresat şi a zerului (electrodializă). Pentru obţinerea concentratelor proteice din laptele degresat şi zer se utilizează în mod obişnuit ultrafiltrarea.

1.5.2.1. Ultrafiltrarea

Ultrafiltrarea, ca procedeu de separare şi fracţionare a substanţelor organice aflate într-o soluţie, utilizează membrane semipermeabile cu pori „deschişi", având dimensiuni ele câteva zeci de mu, prin care separarea se realizează printr-un efect simplu de filtrare. Membrana permite trecerea apei şi a substanţelor cu greutate moleculară redusă (sub 1000), însă reţine substanţele cu greutate moleculară relativ ridicata şi substanţele macromoleculare.

1.6. Proprietăţile funcţionale ale concentratelorproteice din lapte

Conceptul de proprietăţi funcţionale ale proteinelor, acoperă o gamă variată de proprietăţi ale compuşilor proteici, care determină comportarea acestora în cursul proceselor tehnologice. In produsul alimentar, proteinele îndeplinesc un rol atât structural cât şi nutritiv. Proprietăţile funcţionale ale unui concentrat proteic sunt în strânsă legătură cu capacitatea proteinei respective de a îndeplini funcţiunea structurală.

1.6.1. Solubilitatea

În medii apoase de compoziţie determinată (pH, concentraţie ionică), solubilitatea acoperă un domeniu întins, în funcţie de tipul concentratului proteic şi în special de modul de obţinere şi de gradul de denaturare a proteinelor.

Solubilitatea cazeinaţilor şi coprecipitatelor proteice este influenţată în mod hotărâtor de conţinutul de calciu din aceste produse Astfel, în timp ce solubilitatea cazeinatului de sodiu atinge valoarea de 99,5%, pentru solubilizarea coprecipitatelor cu un conţinut mediu şi ridicat de calciu este necesară utilizarea unui agent care să reţină calciul, asigurând o solubilitate maximă la pH 7,0.

1.6.2. Capacitatea de spumare

Prin agitarea în anumite condiţii a soluţiilor de concentrate proteice acestea spumează, fenomenul depinzând de gradul de descreştere a tensiunii superficiale existente la suprafaţa de separaţie aer/apă, determinată de adsorbţia moleculelor de proteină.

Spumele formate prin agitarea soluţiilor de proteină au caracteristici diferite, în funcţie de metoda de aerare, distribuţia globulelor de aer din punct de vedere al dimensiunii, fiind

esenţială. Stabilitatea spumei tinde să fie maximă la punctul izoelectric al proteinei când modulul de elasticitate al peliculei de proteine adsorbite are valoare maximă.

Deoarece structura peliculei proteice adsorbite la suprafaţa bulelor de aer este în funcţie de structura nativă a proteinei respective, tratamentele tehnologice li care sunt supuse concentratele proteice în timpul obţinerii lor influenţează în mod considerabil capacitatea de spumate.

1.6.3. Capacitatea de emulsionareConcentratele proteice din lapte şi în mod deosebit cazeinaţii şi coprecipitatele pot

forma o peliculă proteică protectoare ia suprafaţa picăturilor de idei, dând emulsiei ulei in apa foarte stabile. Particula de proteină formată în jurul particulei de grăsime emulsionată previne reaglomerarea grăsimii şi pierderea stabilităţii acesteia. Când proteina este adsorbită la suprafaţa de separaţie ulei/apă, devine posibilă o pliere a moleculei pentru a minimaliza energia liberă hidrófobă Proprietăţile de forfecare a peliculelor de proteine la limita de separaţie ulei/apă au fost evaluate prin metode de radio-activitate de suprafaţă şi prin elipsometrie.

1.6.4. Capacitatea de legare a apei

Concentratele proteice din lapte au o capacitate ridicată de legare a apei. Prin reţinerea sub formă de apă de hidratare a umidităţii din produsul alimentar în care se introduc, concentratele proteice din lapte formează geluri cu proprietăţi termomecanice specifice. Viteza şi gradul de umflare al gelului în timpul proceselor tehnologice depind de temperatura, pH-ul şi concentraţia de săruri din produs. Formarea gelului dctennină creşterea vâscozităţii produsului, ducând la reducerea fenomenului de sinereză şi creşterea stabilităţii. Prelucrarea prin omogenizare creşte capacitatea de reţinere a apei, ducând la mărirea vâscozităţii produsului.

1.7. Reologia soluţiilor de concentrate proteice din lapte

Proprietăţile reologice ale concentratelor proteice influenţează comportarea tehnologică a acestora precum şi caracteristicile produselor alimentare în care se introduc.

Consumatorii apreciază consistenţa alimentelor pe baza deformării ce rezultă în urma aplicării unei presiuni fie prin masticaţie, fie prin intermediul degetelor sau a mâinii. La fel de importantă este textura alimentelor, definită de o serie de proprietăţi cum sunt fragilitatea, masticabilitatea, lipiciozitatea şi gumozitatea. Atât consistenţa cât şi textura au implicaţii senzoriale importante asupra aspectului, senzaţiei de masticaţie, senzaţiei olfactive şi gustative.

Alimentele sunt materiale complexe din punct de vedere structural şi reologic, fiind în mod obişnuit amestecuri de substanţe solide si componenţi lichizi. Unele alimente nu sunt nici omogene, nici izotrope, având proprietăţi ce variază în interiorul masei lor.

Teslele instrumentale obiective pentru caracterizarea reologică a produselor alimentare se bazează pe caracteristicile de deformare şi de curgere a acestora, in mod obişnuit produsele alimentare se comportă ca fluide vâscoase, acest tip de comportament fiind deosebit de important pentru multe domenii ale industriei alimentare.

În funcţie de modul de deformare sub acţiunea unei forte exterioare, materialele se împart în mod convenţional în „netwniene" şi „nenetwnieneî". Caracteristica reologic de „newtnian" sau „nenetwnian"descrie comportarea materialelor care se deformează sub acţiunea unor forţe mai mici şi respectiv mai mari decât propria greutate. Dacă fluidele netwmiene pot fi caracterizate reologic prin vâscozitate, cele nenetwoniene, cu comportare reologică complexă sunt caracterizate atât prin consistenţă cât şi prin textură.

În cazul fluidelor netwoniene, curba de curgere, care oglindeşte legătura dintre tensiunea de forfecare şi viteza de forfecare, este o linie dreaptă, care în diagrama e/=f(D) trece prin origine.

Vâscozitatea fluidelor netwoniene nu este numai o proprietate ci şi o constantă, care variază numai cu temperatura.

In cazul fluidelor nenetwniene, relaţia dintre tensiunea de forfecare şi viteza de forfecare nu este liniară; în acest caz, vâscozitatea nu mai este o constantă a fluidului respectiv şi de aceea se numeşte „viscozitate aparentă".

1.8. Valoarea nutritivă a concentratelor proteice dinlapte

Valoarea nutritivă a concentratelor proteice din lapte, exprimată prin coeficientul de utilizare proteică netă (NPU) care reprezintă proporţia de azot din alimentul consumat reţinut în corp, din azotul total ingerat (NPU = N reţinut/ N ingerat • 100), variază în limite largi, fiind cuprinsă între 69 şi 94%. Datorită compoziţiei în aminoacizi şi a digestibilităţii ridicate, concentratele proteice din lapte sunt utilizate pentru asigurarea aportului necesar de aminoacizi în multe produse alimentare.

Aşa cum se poate vedea din tabelul, pe lângă aminoacizii esenţiali, concentratele proteice din lapte au un conţinut ridicat de acid glutamic, asimilarea în organismul uman a acestui aminoacid având drept rezultat o reducere a colesterolului în sânge. De asemenea, acidul orotic prezent în lapte, care este reţinut în concentratele proteice, este precursorul pirimidinelor (uracil, citozină, timină); acestea formează o parte din acidul ribonucleic şi dezoxiribonucleic. Absorbţia acidului orotic are drept rezultat o economie de energie şi o îmbunătăţire a capacităţii de detoxifiere a ficatului, în special când organismul se află în condiţii de stres.

1.9. Utilizarea concentratelor proteice în industria laptelui

1.9.1.2. Produse lactate cu destinaţie specială

În această categorie sunt incluse produsele pentru alimentaţia copiilor şi produsele fortifiante şi energizante.

Produsele pentru alimentaţia sugarilor şi copiilor mici. Datorită unor factori medicali, psiho-sociali sau economici, alimentaţia naturală este

uneori înlocuită cu alimentaţia mixtă sau artificială. Obiectivele principale ale procedeelor industriale de obţinere a produselor alimentare artificiale destinate sugarilor sănătoşi constau în reproducerea cât mai fidelă a compoziţiei laptelui uman.

În general, în procesele de fabricare a acestor produse, laptele de vacă este supus unor tratamente prin care se urmăresc următoarele obiective: -aducerea raportului dintre cazeină şi proteinele serice la o valoare cât mai apropiată de 1; - asigurarea unui conţinut ridicat de acizi graşi polinesaturaţi şi în special de acid linoleic; - creşterea concentraţiei de glucide; - reducerea conţinutului de săruri minerale şi echilibrarea raportului Ca/P la valoarea 2/1; - adăugarea unor vitamine.

Realizarea primului obiectiv, care este şi cel mai important, este posibilă prin utilizarea unor concentrate proteice obţinute prin ultrafiltrare din lapte degresat şi din zer. în concentratul proteic astfel obţinut se introduce ulei de soia, lizozime, factorul bifidus, substanţe minerale şi vitamine.

Amestecul este omogenizat şi uscat prin pulverizare, rezultând un produs cu solubilitate ridicată, bine tolerat de sugari şi având o valoare nutritivă echivalentă cu cea a laptelui matern.

Produse fortifiante şi energizante. Activitatea fizică în general şi cea sportivă în special reclamă un consum suplimentar

de energie faţă de procesele vitale normale. Necesităţile energetice şi plastice sporite ale organismului în efort fizic intens, pot fi asigurate printr-un aport suplimentar de principii nutritive de bază: glucide, protide, lipide, oligoelemente, substanţe minerale, vitamine. Produsele elaborate în acest scop conţin într-o formă concentrată şi în proporţii convenabile toate substanţele necesare activităţii organismului in regim de efort fizic. În mod deosebit, introducerea în aceste produse a concentratelor proteice de tip cazeinat şi coprecipitat are o influenţă deosebit de favorabilă prin conţinutul ridicat în aminoacizi esenţiali şi cu mare valoare biologică.

1.9.1.3. Produse lactate simulate

Produsele lactate simulate, sunt produse care imită produsele lactate tradiţionale, având aceeaşi valoare nutritivă ca acestea, calităţi senzoriale similare, iar preţul de cost inferior produselor lactate tradiţionale.

Lapte simulat. Se utilizează drept concentrat proteic cazeinatul de sodiu, care are capacitate ridicată de emulsionare. Componenta lipidică este asigurată de grăsimile vegetale, singure sau în amestec, iar cea glucidică de un amestec de glucide (lactoză, glucoză, zaharoză). Produsul poate fi fortifat prin adaos de vitamine şi săruri minerale.

Smântână simulată. Acest produs prezintă fală de produsul lactat tradiţional avantajul unui conţinut de grăsime mai redus şi al unei conservabilităţi mai îndelungate. Ca sursă de proteine se utilizează cazeinatul de sodiu, uleiul de floarea soarelui ca sursă lipidică şi lactoza rafinată ca sursă glucidică. Pentru asigurarea unei structuri şi a unor cantităţi senzoriale corespunzătoare se adaugă şi mici cantităţi de emulgatori, stabilizatori şi substanţe acidulante şi aromatizante.

Înălbitori pentru cafea. Înălbitorii pentru cafea, la contactul cu suprafaţa caldă a cafelei lichide se umectează rapid şi uniform, iar printr-o uşoară amestecare se dispersează rapid şi complet în masa de cafea. Aceste proprietăţi reologice sunt asigurate de cazeinatul de sodiu, introdus în compoziţia produsului simulat în proporţie de 8+9%. Lipidele, în proporţie de 43+44%, sunt prezente sub forma unei grăsimi vegetale cu punct de topire ridicat, pentru a împiedicat lipirea produsului şi pentru a mări rezistenţa la oxidare.

Produse pentru batere. Aceste produse se obţin sub formă pulverulentă, iar prin reconstituirea cu apă şi batere permit obţinerea unor spume stabile, cu caracteristici senzoriale şi nutritive deosebit de apreciate. Cazeinatul de sodiu care intră în compoziţia acestor produse acţionează ca agent pelicular, mărind rezistenţa şi elasticitatea filmului de proteină care înconjoară bulele dc aer înglobat.

Dejunuri instant. Acestea sunt produse aromatízate, fortifiate prin adaos de cazeinat de sodiu în proporţie de 24%, vitamine şi săruri minerale. Fabricarea produselor de acest tip se realizează prin amestecarea ingredientelor în proporţie corespunzătoare şi aglomerarea lor în particule grosiere, uşor dispersabile, prin umectarea şi reuscarea într-o instalaţie de instantizare.

Pulberea obţinută se reconstituie uşor în apă, permiţând obţinerea unor băuturi nutritive şi reconfortante.

Înlocuitori pentru albuşul de ou. Pentru obţinerea acestui produs sc utilizează un concentrat proteic obţinut prin precipitarea proteinelor din zer cu hexametafosfat de sodiu. Precipitatul separat prin centrifugare poate ti utilizat ca atare sau după uscare prin pulverizare, în condiţii obişnuite, produsul conţine 50-65?/o proteine şi 15-25% metafosfat.

1.10. Valorificarea laptelui degresat

Procedeele modeme de valorificare a laptelui degresat prevăd, în afara consumului direct sub diferite forme (ca atare, cu diverse adaosuri, concentrat sau deshidratat), fracţionarea substanţei uscate şi obţinerea unor componente singulare sau în amestec , cu proprietăţi nutritive şi funcţionale specifice. Fracţionarea substanţei uscate presupune utilizarea unor metode specifice de mare complexitate.

Referitor la aspectele chimico - tehnologice ale proceselor de separare a proteinelor din lapte degresat, ele sunt corelate cu tipul de proteine (proteine integrale , fracţiuni proteice), cu proporţia de substanţe însoţitoare admise (lactoză, săruri minerale) sau cu gradul de denaturare. De reţinut că orice modificare a structurii şi a proprietăţilor proteinelor rezultate din biosinteză, ca urmare a tratamentelor tehnologice, are drept consecinţă denaturarea acestora.

Având în vedere compoziţia şi proprietăţile specifice ale componentelor proteice din lapte, care condiţionează şi domeniul lor de utilizare, în prezent există tendinţa către fracţionarea acestora sau obţinerea sub formă nedenaturată. Prin precipitarea cazeinei cu acizi sau coagularea enzimatică se separă aproximativ 80% din proteinele laptelui.

Se obţine pe această cale cazeina, cu o proporţie relativ importantă de substanţe însoţitoare, din care, prin tratament alcalin, rezultă cazeinaţii. Aceste două produse suferă , în toate cazurile , un proces de denaturare a cărui intensitate depinde de tratamentul acid şi alcalin şi de parametrii uscării.

Un progres însemnat în separarea proteinelor din lapte 1a reprezentat descoperirea posibilităţilor de asociere a cazeinei cu fracţiunile proteice din zer. Se pot recupera astfel proteinele integrale, din lapte, cu o valoare superioară, sub forma unui coprecipitat proteic .

Cele mai interesante procedee de separare a proteinelor din lapte, cu o mare extindere industrială în ultimul timp, prevăd filtrarea prin membrane permeabile pentru moleculele mici (lactoză, săruri) care însă reţin proteinele. In acest caz, tratamentul se realizează la temperaturi scăzute astfel încât gradul de denaturare a proteinelor este foarte redus.

Tehnologiile convenţionale de obţinere a proteinelor din lapte au fost îmbunătăţite prin: perfecţionarea metodelor de precipitare, spălarea granulelor obţinute, deshidratarea parţială şi uscarea finală.

1.10.1. Separarea cazeinei prin precipitare izoelectrică

Cazeina este insolubilă !a punctul izoelectric (pH=4,6), valoare stabilită prin determinări de solubilitate şi analiză electroforetică. Punctul izoelectric al fracţiunilor cazeinei nu este identic, valorile acestuia pentru a , B , y - cazeină fiind ia pH = 4,7 ; 4,9 şi 5,B+6. In consecinţă, prin acidifierea laptelui la pH= 4,6 se obţine un precipitat al cazeinei totale, fiind deci mai corect să se vorbească de un domeniu izoelectric . Punctul izoelectric fiind situat la un pH acid, cazeina separată în domeniul izoeletric poartă denumirea de cazeină acidă . Coborârea pH-ului normal al laptelui până în domeniul izoelectric se realizează cu acizi minerali (cazeină clorhidrică , sulfurică) sau organici (cazeina lactică).

Indiferent de acidul utilizat pentru precipitare, procesul de fabricaţie comportă următoarele etape: obţinerea precipitatului şi prelucrarea sa mecanică şi termică, spălarea granulelor de cazeină umedă, mărunţire şi deshidratarea acestora. Procedee moderne prevăd desfăşurarea acestor etape sub forma unor procese continue.

1.10.2. Separarea cazeinei prin precipitare izoelectrică

Obţinerea cazeinei acide presupune mai multe faze care sunt descrise în continuare .Precipitarea între fracţiunile cazeinice prezente în lapte, există interacţiuni puternice

prin legături hidrofobe, ionice, de hidrogen şi prin punţi de calciu, formând compuşi solubili cu o structură organizată superioară (micele) . Structura micelară este stabilizată în special prin legături hidrofobe şi printr-o reţea de fosfat coloidal de calciu, de o mare complexitate şi cu multiple tipuri de legături.

Îndepărtarea treptată a calciului din micele determină o dezagregare reversibilă a cazeinei (în special a β-cazeinei). Modificarea pH-ului laptelui determină schimbări reversibile ale micelelor de cazeină. Coborârea pH-ului are drept rezultat disocierea şi solubilizarea fosfatului coloidal de calciu; calciul este deplasat din micelele de cazeină de către ionii de hidroniu, iar fosfatul de calciu este transformat în ioni de Ca2+ solubili şi ioni H 2 PO4.

La pH = 5,3, cazeina începe să precipite din soluţie, precipitarea fiind maximă la pH = 4,62 (punctul izoelectric). Pentru a realiza solubilizarea completă a fosfatului de calciu este necesar ca pH-ul să fie coborât cel puţin până la valoarea punctului izoelectric. Cazeina precipită din soluţie sub formă de flocoane. Eliminarea zerului din flocoane prin sinereză este favorizată de creşterea acidităţii şi a temperaturii.

Temperatura de precipitare în intervalul de temperatură 37+40°C randamentul de precipitare are valoare maximă (concentraţia de proteine cazeinice rămase în zer are valoare minimă).

Temperatura optimă de precipitare, din punct de vedere al randamentului şi al proprietăţilor reologice ale precipitatului obţinut, este situată în intervalul 38-39°C, iar pH-ul optim de precipitare, sub aspectul randamentului maxim şi al concentraţiei minime de ioni de Ca2+ este situat în intervalul 4,5-4,6.

Procedee de precipitare continuă.

O trăsătură comună a procedeelor de precipitare continuă o constituie pulverizarea acidului în jet continuu, sub forma unui con de picături fine, în contracurent cu laptele smântânit preîncălzit la temperaturi sub 40°C (323.5°C ). Urmează o etapă de ridicare rapidă a temperaturii amestecului la valori peste 40°C (43...46°C), prin injecţie de abur, când are loc precipitarea instantanee a cazeinei.

Procedeul Muller - Huyes.

În acest procedeu se acordă o importanţă deosebită pH-ului de precipitare şi concentraţiei de săruri minerale (şi în special de calciu), care influenţează in mod hotărâtor vâscozitatea soluţiilor de cazeină. Precipitând cazeină cu acid la pH=4,2-4,6 se obţine o viscozitate minimă a soluţiilor; la un pH sub 4,2, vâscozitatea se măreşte rapid, iar la pH peste 7 creşterea este foarte importantă.

Prin această metodă se obţină o cazeină cu un conţinut redus de cenuşă (1,75%), în condiţiile reducerii pierderilor de particule fine.

Procedeul Procalex. Procedeul elaborat de Gazdze şi Hutin este asemănător cu metoda Muller-Hayes sub aspectul succesiunii etapelor de amestecare lapte-acid şi de coagulare propriu-zisă.

Prin acest procedeu, utilizat în Franţa, se obţine o cazeină cu un conţinut de cenuşă de 1,80%, în condiţiile eliminării aproape totale a particulelor fine.

Sinereza şi eliminarea zerului

Din granulele de precipitat proaspăt, zerul se elimină spontan, printr-un proces de sinereză care se realizează chiar în vana de precipitare.

Spălarea

Spălarea precipitatului urmăreşte îndepărtarea acizilor, sărurilor, proteinelor solubile şi lactozei. Prin îndepărtarea sărurilor de calciu se asigură o viscozitate redusă, iar prin eliminarea lactozei se evită reacţiile de îmbrumare neenzimatică de tip Maillard în cursul uscării şi depozitării, care conduc şi la reducerea valorii nutritive. Printr-o spălare corespunzătoare se evită apariţia gustului de clei în cazeinatul de sodiu destinat alimentaţiei umane.

Apa de spălare nu trebuie să conţină substanţe colorante în suspensie, care se adsorb pe suprafaţa particulelor de cazeină, afectând culoarea produsului finit. Cazeină fixează foarte bine fierul din apă.

În cazul cazeinei acide, pH-ul. apei de spălare trebuie reglat la 4,6, pentru a evita formarea unui strat gelatinos la suprafaţa granulelor (apă prea acidă) sau redispersarea parţială şi înmuierea acestora (apă prea alcalină). în cazul cazeinei cheag, se utilizează apă cu alcalinitate ridicată, pentru a obţine un produs cu conţinut mare de săruri.

Temperatura apelor de spălare este variabilă după tipul de cazeină. Astfel, cazeină acidă se spală cu o primă apă de spălare la 41-43°C, apoi la 35-38°C sau chiar mai puţin. În cazul cazeinei lactice de uz alimentar, spălarea asigură şi un efect de pasteurizare, realizându-se la 60°C, 80°C şi 30°C, pentru cele trei etape ale operaţiei. Spălarea cazeinei cheag se face la minimum 55°C, pentru a favoriza sinereza şi consolidarea granulelor.

Muller a stabilit că în timpul spălării, lactoza, sărurile minerale şi acizii se separă de granulele de precipitat printr-un proces de difuziune. Ca urinare, toţi factorii care influenţează acest proces prezintă importanţă pentru eficacitatea Spălării: dimensiunea şi permeabilitatea particulelor de cazeină precipitată, caracteristicile, proporţia şi gradul de mişcare a apei de spălare.

În cazul procedeului discontinuu, utilizat mai ales pentru cazeină cheag, după eliminarea zerului, peste precipitat se adaugă o cantitate de apă reprezentând 50% din zerul eliminat. După o agitare de 15 min granulele se depun. Această operaţie se repetă de încă două ori, cu un timp de contact de aproximativ 20 minute. Apa de spălare trebuie să fie menţinută în mişcare printr-o agitare discontinuă moderată, pentru a nu se ajunge la o prăfuire exagerată a precipitatului. Concentraţia apei de spălare în lactoză, săruri minerale şi în substanţe proteice sunt indici calitativi ai eficienţei operaţiei de spălare. Din considerente economice, este necesar ca primii doi indici să prezinte valoare maximă, iar ultimul să fie minim.

Procedee de spălare continuă. Prin utilizarea procedeelor continue de spălare se realizează o importantă economie de apă de spălare şi de manoperă, concomitent cu asigurarea unei eficiente sporite a procesului şi a obţinerii unui precipitat de calitate superioară. în mod curent, se utilizează baterii formate din 3-4 vane de spălare. Precipitatul este trecut prin fiecare vană, reducându-se treptat conţinutul în lactoză, săruri minerale şi acid. între două vane, amestecul apă - granule este separat pe site.

Spălarea se realizează, de regulă, în contracurent, apa curată fiind adăugată numai în ultima vană. fiind recuperată la sita de separare următoare şi trimisă în vana a doua, de unde ajunge în prima vană.

Deosebirea între diferitele procedee de spălare constă mai ales în dispozitivele de separare a apei de granule.

Procedeul clasic.

Acest procedeu se utilizează mai ales pentru uscarea cazeinei cu destinaţie telurică. Cazeina umedă este preluată de Ia granulator şi transportată pneumatic în camerele de uscare, unde este distribuită pe tăvi. Interiorul unei camere este împărţit în două zone. între care se găsesc elementele de încălzire a aerului. Tăvile din fiecare zonă sunt susţinute în uscător pe umerii fixaţi de un grup de lanţuri gali, de o parte şi de cealaltă a camerei. In timpul procesului de uscare, tăvile de cazeina se deplasează intermitent de la o poziţie la alta, astfel încât la sfârşitul uscării au fost parcurse toate poziţiile posibile în cele două zone. De obicei, tava se introduce în partea de sus a zonei superioare, după care la fiecare mişcare se deplasează cu o poziţie în jos. La baza zonei inferioare, tava cu cazeina uscată este scoasă din cameră. Aerul circulă în contracurent cu produsul, o parte din aerul umed fiind recirculat.

Procedeu! clasic modificat.

Procedeul descris de Buchanan realizează uscarea cazeinei într-un uscător cu două zone. în prima zonă, prevăzută cu două tăvi suprapuse, umiditatea se reduce până la 30+35%. Granulele de cazeinat, care se deplasează datorită mişcării vibratorii uniforme a tăvilor, după parcurgerea întregii lungimi a unei tăvi, trec spre nivelul imediat interior, cu ajutorul unui sistem de comandă constituit dintr-un ventil rotativ cu aer. Uscarea se realizează cu aer cald, care circula în contracurent cu produsul. Părăsind prima zonă, produsul parţial deshidratat ajunge în zona a doua, cu ajutorul aerului sub presiune.

Separarea particulelor complet deshidratate de cele incomplet uscate se face într-un clon situat în partea finală a uscătorului.

Procedeul clasic fluidizat.

Prin uscarea în pat fluidizat se obţine un produs de calitate superioară. Acest procedeu asigură un contact intim între aerul de uscare şi produs, determinând accelerarea procesului de deshidratare. Pentru aducerea produsului în stare de fluidizare, aerul transportor este trimis sub presiune printr-o placă poroasă şi, în stare dispersă, intră între granulele acestuia. Astfel, suprafaţa granulelor este învelită cu aer, diminuându-se frecarea interioară a produsului. Mărirea debitului de aer transportor determină o creştere a rezistenţei stratului

de granule de cazeină. La o anumită valoare a debitului de aer transportor, această rezistenţă rămâne constantă, produsul fiind adus în stare de fluidizare viteza critică la care produsul ajunge în totalitate în stare de fluidizare este de 0,1 - 0,3 m/s. Camera"de uscare propriu-zisă este un cilindru cu extremităţile tronconice. Cazeina măcinată este aspirată împreună cu aerul cald şi trecută într-un ciclon în care se realizează separarea de aer, în vederea alimentării gravitaţionale a camerei de uscare.

Ventilatorul final, care lucrează prin aspiraţie, realizează în camera de uscare o viteză a aerului cald egală cu viteza de plutire a particulelor de cazeinat. în camera de uscare, înălţimea stratului fluidizat se menţine la o valoare care să asigure răcirea aerului dintre particule, pe seama căldurii cedate umidităţii ce se evacuează, până la o temperatură apropiată de cea a materialului iniţial.

În uscătoarele prin fluidizare, temperatura este mult mai ridicată (200°C) decât în alte în alte procedee de uscare, datorită timpului scurt de contact.

1.10.2.1. Tehnologia de obţinere a cazeinaţilor

Cazeina, indiferent de procedeul de obţinere, se prezintă sub formă granulară insolubilă în apă şi, în consecinţă, cu o funcţionalitate redusă. Pentru principalele utilizări, în industria alimentară şi industria hârtiei, este necesară o formă solubilă a cazeinei obţinută prin tratament alcalin, care este denumită cazeinat.

Cazeinaţii sunt săruri alcaline sau alcalino-pământoase ale cazeinei, caracterizate, între altele, printr-o solubilizare ridicată, o capacitate de legare a apei şi o putere emulgatoare mare. Datorită acestor proprietăţi, cazeinaţii suni utilizaţi în cele mai diverse sectoare ale industriei alimentare.

Cazeinaţii se pot obţine fie din cazeină precipitată umedă, fie din cazeină uscată, în primul caz rezultând produse cu proprietăţi senzoriale superioare, în condiţiile economisirii energiei prin eliminarea operaţiei de uscare.

La fabricarea cazeinaţilor, operaţiile de precipitare a cazeinei, de spălare şi deshidratare parţială sau avansată a granulelor sunt identice cu cele descrise la tehnologia de obţinere a cazenei acide. Solubilizarea cazeinei umede sau uscate constituie o etapă importantă in procesul de obţinere a cazeinaţilor. Este de remarcat faptul că solubilizarea cazeinei uscate se realizează mai uşor decât în cazul celei umede, mai ales dacă granulaţia nu este prea fină.

Solubilizarea cazeinei.

În scopul obţinerii unei soluţii omogene se utilizează un agent solubilizant, capabil să treacă în soluţie particulele individuale de cazeină. în cazul cazeinei acide, agentul solubilizant este o substanţă alcalină (hidroxid de sodiu, bicarbonat de sodiu, hidroxid de calciu, hidroxid de potasiu etc), iar cazeinatul obţinut, având denumirea metalului respectiv, este o soluţie adevărată în intervalul de pH = 6,5-7,0.

Deşi teoretic se pot obţine cazeinaţi pornind de la orice hidroxid alcalin, prezintă interes practic doar cazeinatul de sodiu şi, în măsură mai mică, cazeinatul de calciu.

Operaţiunea de solubilizare este influenţată de conţinutul de umiditate al cazeinei, de temperatura de solubilizare şi de pH.

Deoarece în timpul solubilizării vâscozitatea soluţiilor de cazeinaţi la o temperatură dată depinde de proporţia de particule a unui strat vâscos, care împiedică accesul substanţei alcaline, este necesară o agitare eficientă, care se realizează in mod diferit, în funcţie de procedeul de solubilizare utilizat.

Pentru a favoriza dizolvarea cazeinei, mai ales la concentraţii ridicate de substanţa uscată, se foloseşte o moară coloidală.

Solubilizarea în fabricarea cazeinatului de sodiu.

În mod obişnuit se utilizează cazeină umedă, cu un conţinut de umiditate de 55+60% şi un conţinut căi mai redus de săruri da calciu şi lactoză. Solubilizarea se realizează prin introducerea progresivă a cazeinei în apă la 50°C, concomitent cu soluţia alcalină (hidroxid de sodiu sau bicarbonatul de sodiu), in condiţiile unei agitări intense. Este contraindicat să se amestece mai întâi cazeina cu apa şi apoi să se adauge hidroxidul de sodiu, deoarece în acest caz, la pH = 6. se obţin soluţii foarte vâscoase, greu de prelucrat.

Factorii care influenţează în mod direct vâscozitatea soluţiilor de cazeinat de sodiu sunt conţinutul în substanţă uscată, temperatura şi pH-ul acestora.

Reducerea conţinutului în substanţă uscată a cazeinatului de sodiu determină scăderea vâscozităţii, însă coborârea sub 18-20% influenţează negativ atât randamentul de obţinere a produsului finit, cât şi calitatea acestuia. De asemenea, creşte consumul energetic în instalaţia de uscare prin pulverizare, conţinutul final de umiditate în produsul finit se reglează cu dificultate, au loc pierderi mari de produs finit în faza finală de uscare.

Ridicarea temperaturii soluţiilor de cazeinat de sodiu are drept consecinţă scăderea vâscozităţii. Depăşirea temperaturilor de 80+90°C, mai ales pentru o durată de timp mai ridicată, influenţează în mod negativ valoarea nutritivă a produsului finit, ca urmare a formării unui produs ele degradare a aminoacizilor, lizioalanina. Curba vâscozităţii soluţiilor de cazeinat de sodiu prezintă un minim în intervalul de pH = 6,6+7,0.

În general, soluţiile de cazeinat de sodiu, având un conţinut în substanţa uscată de 20+25% şi un pH = 6,8+7,0, pot fi transportate prin conducte şi pompe la temperaturi cuprinse între 75+80°C, fără a provoca înfundarea sau blocarea acestora.

Solubilizarea în fabricarea cazeinatului de calciu.

În unele cazuri, în industria alimentară se utilizează cazeinatului de calciu în locul cazeinatului de sodiu.

Procesul de solubilizare constă în adăugarea progresivă a hidroxidului de calciu, cu agitare constantă. pH-ul final al produsului, cu 1,0+1,5% calciu, este de 6,5. Datorită faptului că soluţiile de cazeinat de calciu au o viscozitate mai redusă decât cele de cazeinat de sodiu, se poate ajunge până la 28% substanţă uscată. In cursul dizolvării, este important să se controleze riguros temperatura deoarece un pH sub 6,0 şi la temperaturi de peste 50°C, se poate forma un gel.

Deoarece solubilizarea cazeinei prezintă un grad ridicat de complexitate şi influenţează în mod decisiv uscarea ulterioară, liniile tehnologice de fabricare a cazeinaţilor prevăd realizarea acestei operaţii în flux, parţial sau total, automatizat.

Procedeele de solubilizare continuă a cazeinei. Procedeul propus de Badurtscher ş.a. oferă posibilitatea prelucrării atât a cazeinei umede cât şi a cazeinei uscate.

În ambele cazuri se realizează o suspensie de cazeină în apă, care este adusă la granulometria corespunzătoare într-o primă moară coloidală. După separarea de apă în exces prin trecerea printr-o centrifugă decantatoare, pasta de cazeină, cu un conţinut în substanţă uscată de circa 50%, este trecută în vana de solubilizare, prevăzută cu agitator şi cu un flotor care acţionează pompa de recirculare a soluţiei de cazeinat.

1.11. Valorificarea industrială a zerului

Zerul este fracţiunea apoasă care se separă din coagul în cursul prelucrării prin metode convenţionale, în fabricarea brânzeturilor sau cazeinei. EI reprezintă aproximativ 85+90% din volumul laptelui utilizat pentru transformarea în brânzeturi fermentate şi conţine aproximativ 55% din substanţa uscată a laptelui. Astfel, în zer se găsesc, uneori, într-o proporţie mai mare decât în lapte, proteine solubile, substanţe minerale şi vitamine hidrosolubile.

Se apreciază că, în prezent, se produc pe plan mondial peste 10 milioane tone de brânzeturi la fabricaţia cărora rezultă aproximativ 85+90 milioane tone de zer. La această cantitate se adaugă zerul rezultat la fabricarea cazeinei şi produselor derivate (cazeinaţi, coprecipitate proteice). In plus, ia separarea proteinelor din lapte prin membrane, rezultă un produs denumit permeat (sau ultrafiltrat) cu o compoziţie asemănătoare zerului.

Numai jumătate din cantitatea de zer produsă în întreaga lume este întrebuinţată pentru, alimentaţia umană sau pentru furajarea animalelor. Restul, prin evacuarea sa în mediul înconjurător, pune complicate probleme de poluare, accentuate de faptul că un litiu de zer are un consum biochimie de oxigen (CBO) de 50.000 mg/l, comparativ cu 300 mg/l pentru afluentul evacuat din centrele orăşeneşti.

Datorită costului ridicat al tratamentului zerului în staţiile de epurare, în unele ţări se practică folosirea zerului pentru irigarea terenurilor agricole şi păşunilor, ori deversarea în cursurile de apă sau oceane. La început, utilizarea zerului ca îngrăşământ poate prezenta unele avantaje, însă, în timp, mineralizarea progresivă a solului determină dificultăţi în cultivarea unor plante. In ultimii ani s-a manifestat un interes major pentru folosirea zerului ca furaj în zootehnie.

Fără îndoială că cele mai raţionale forme de valorificare a zerului sunt în alimentaţia umană. În acest scop, el trebuie concentrat sau fracţionat pentru a fi utilizat sub formă de alimente cu valoare nutritivă ridicată, sau ca un component al acestora.

O prelucrare economică a zerului este posibilă numai în condiţiile existenţei unui sistem de colectare centralizată pentru zerul lichid sau parţial concentrat, astfel încât să se trateze cantităţi de zer importanţe în instalaţiile de concentrare, uscare sau fracţionare.

Prin rezolvarea unor probleme tehnice şi tehnologice, a crescut mult producţia de zer fracţionat sub formă concentrată sau praf. în prezent, se obţine zer acid, nehigroscopic, foarte dispersabil, cu multiple utilizări în industria alimentară.

Procedeele de separare prin membrană ca ultrafiltrare, osmoză inversă, electrodializă, precum şi schimbul ionic sat: gelfiltrarea au fost aplicate şi la tratarea zerului în instalaţii industriale de mare capacitate. într-o serie de ţări sunt în exploatare unităţi de ultrafiltrare care prelucrează 200.000 litri zer pe zi, producând concentrate proteice, permeate şi produse pentru alimentaţia sugarilor, Aceste procedee s-au extins deoarece consumă mai puţină energie decât metodele tradiţionale de prelucrare, în condiţiile în care proteinele se obţin într-o formă nedenaturată la temperaturi de lucru de maximum 50+55°C. Pe de altă parte, s-au obţinut membrane de ultrafiltrare care lucrează într-un larg domeniu de temperatură şi pH. O realizare nouă, remarcabilă este aplicarea oxidului de zirconiu pe un suport de carbon. Sistemul rezultat este extrem de stabil la pH. stres mecanic şi la temperaturi până la 400°C şi poate fi utilizat pentru lapte şi zer, fiind posibilă dezinfectarea membranelor.

Prin conversia lactozei din zer, în cursul proceselor de fermentare sau hidroliză, se pot obţine biomasă (proteine, produşi unicelulari), metaboliţi (acid lactic şi lactaţi, alcool etilic, vitamine, antibiotice) sau un sirop de glucoza şi galactoză cu interesante domenii de utilizare.

1.11.6. Valorificarea zerului sub formă de brânzeturi

În categoria brânzeturilor din zer sunt incluse produsele la fabricarea cărora se utilizează zerul ca atare sau un amestec format din lapte si zer. Aceste brânzeturi au un conţinut ridicat de proteine, uneori cu o proporţie importantă de fracţiuni proteice din zer: săruri minerale si vitamine. Ele conţin o proporţie variabilă de lactoze si grăsime.

Brânza Ricotta.

Acest tip de brânză este originară din sudul Italiei, de unde s-a răspândit în multe alte zone ale globului şi este produsă, în format variat, din zer, lapte, zară sau amestecul acestora. În unele ţări, se fabrică brânza Ricotta prin încălzirea la temperaturi ridicate a zerului de la brânzeturi, acidifiat în altele, s-a răspândit producerea acestui tip de brânză din lapte integral sau parţial degresat. Produsul se caracterizează printr-o pastă moale cu o structură fină şi o uşoară aromă de caramel.

În principiu, brânza Ricotta se prepară prin acidifierea materiei prime, la pH = 5,9-6, cu maia de bacterii lactice sau cu adaos de zer acid, acid citric sau acid acetic şi apoi prin încălzire la temperatură ridicată. Proteinele precipitate se ridică la suprafaţă de unde sunt colectate.

Procedeul de fabricare a brânzei Ricotta (Ricottone) din zer este prezentat în continuare: Zerul este amestecat cu 100% lapte degresat sau zară dulce, apoi prin injecţie/; directă de abur este încălzit la minimum 85°C. Pentru precipitare se foloseşte o soluţie de acid; citric (aproximativ 6% acid citric cristalizat, dizolvat în apă) care se dispersează în zerul fierbinte. Se poate folosi şi acid acetic (oţet alb în proporţie de 0,4%). Se opreşte agitarea după adăugarea acidului. Precipitarea se realizează aproape instantaneu, iar proteinele colectate de la suprafaţă se introduc într-un vas perforat, pentru scurgere. Apoi se menţin 4+6 ore într-o cameră frigorifică.

Brânza Ricotta uscată se obţine prin presarea pastei proaspete în forme., corespunzătoare. După 2+1 ore se îndepărtează formele, iar brânza este maturată timp d, câteva luni la 10+15°C, sau 4 săptămâni Ia 21°C. La anumite intervale, suprafaţa brânzei se spală. Brânza, în mod obişnuit cu o masă de aproximativ 1,4 kg, este folosită pentru răzuit» Brânza Ricotta poate fi fabricată şi din lapte integral, căruia i se adaugă suficientă maia de' bacterii lactice pentru a se ajunge la, pH= 5,9+6 sau 0,3% acid lactic. In laptele încălzit la 80°C se adaugă stabilizator pentru îngheţată şi clorură de sodiu.

Precipitatul separat la suprafaţa se colectează când prezintă un grad de deshidratare corespunzător. Din zerul rezultat, cu un adaos de 10% lapte integral, se poate obţine un nou precipitat prin acidificare cu acid lactic, acid citric, sau oţet. Ambele precipitate se pot amesteca.

Brânzeturi din zer concentrat.

Aceste brânzeturi sunt fabricate în Norvegia din zer rezultat din lapte de vacă (Mysost), din zer de oaie (Gjetost) şi din zer cu adaos de grăsime de . lapte (Primosf). Un produs răspândit în Norvegia este-brânza Gudbransdalsost fabricată din 88% zer de oaie şi 12% zer de vacă, ambele concentrate.

Primost are o culoare cafenie deschisă, un gust dulce caramelizat şi o structură şi consistenţă cremoasă. Mysost şi Gjetost sunt de culoare mai închisă şi au o structură mai aspră,

Pentru producerea acestor brânzeturi se obţine mai întâi zerul. În acest scop, se ametecă laptele integral de oaie şi vacă în raportul 83/12, se separă grăsimea mecanic şi se coagulează amestecul cu cheag Ia 32°C în 20 min. Din coagulul prelucrat se separă zerul în care se adaugă smântână obţinută în etapa anterioară.

Brânza albuminoidică (urda).

Se obţine după un procedeu asemănător, în faza iniţială, cu al laptelui albuminic. După eliminarea zerului, amestecul de proteină şi zer (20% faţă de zerul iniţial) se

răceşte Ia 25+28°C şi se însămânţează cu o cultură de bacterii lactice (2,7% streptococi şi 0,3% lactobacili). Produsul se amestecă energic, apoi se introduce în forme şi se presează cu o forţă aplicată progresiv, timp de 12+14 ore la 15+18°C.

1.11.9. Domenii de utilizare a lactozei lactozei

Utilizările lactozei în industria alimentară şi farmaceutică sunt legate de următoarele; considerente: nu cauzează o îndulcire excesivă, fiind mai puţin dulce decât zaharoza, fructuza, glucoza, galactoza, conferă vâscozitate produsului în care este adăugată, putând înlocui 15+20% din zaharoză.

Direcţiile de folosire a lactozei sunt următoarele: în produsele care imită laptele matern din lapte de vacă, care are un conţinut mai căzut de lactoză ,la repararea unor diete pentru diabetici;

- ca suport pentru îndulcitori sintetici, aromatizanţi naturali şi sintetici, ca adaos în sucurile e fructe şi legume pulbere pentru evidenţierea mai bună, a aromei; -ca absorbant şi dispersant pentru coloranţii alimentari-pulbere, la fabricarea prafului de ouă, unde acţionează ca agent care favorizează spumarea (baterea);

-la fabricarea pâinii, unde contribuie la aromă prin reacţii Maillard şi la menţinerea prospeţimii.

Melasa (lichidul intercristalin)

Melasa conţine, în funcţie de tipul lactozei, între 15 si 30% lactoza, până la 6% proteine (N x 6,38) şi 10+15% săruri minerale. în procesul de spălare a masei cristaline, melasa este diluată cu apă (75%) şi, datorită acestui fapt, i se schimbă compoziţia, ajungând la 22% substanţă uscată, 16% lactoza, 3,2% substanţe minerale, 2,5% proteine şi la un pH de 5,3.

La fabricarea lactozei, se pierde o parte din acest glucid nu numai în melasă ci şi în celelalte etape ale procesului tehnologic. Melasa de la lactoza brută poate fi readusă parţial sau în totalitate în ciclul de fabricare a lactozei. în acest scop, se recomandă fie concentrarea melasei înainte sau după deproteinizare şi cristalizarea lactozei, fie amestecarea acesteia cu zerul purificat în proporţie de 1/1 şi prelucrare în lactoza brută. Melasa, care conţine proteine ( precipitate în suspensie, este mai întâi purificată prin încălzire la 80+90uC şi prin adaos de lapte de var (2+2,50% cu concentraţia 20%) până la pH = 5,6+5,8. în acest mod se obţine lactoza brută de culoare gălbuie, dar corespunzătoare sub aspectul compoziţiei chimice pentru produsul de calitate superioară. Pentru 1 kg lactoza brută sunt necesare 14+15 kg, melasă. La folosirea melasei în amestec cu zerul, ea este deproteinizată şi prelucrată împreună cu zerul i purificat.

Melasa de la lactoza brută se poate utiliza pentru producerea drojdiei furajere, acidului lactic, alcoolului etilic şi a furajelor combinate.

Melasa de la lactoza rafinată este întrebuinţată în totalitate pentru dizolvarea lactozei brute sau, în amestec cu zerul purificat, la fabricarea lactozei brute. Prezenţa melasei îmbunătăţeşte formarea cristalelor şi randamentului fabricaţiei.

Pentru dizolvarea lactozei brute în vederea rafinării se pot utiliza apele de spălare cu aproximativ 8,5% lactoza. Melasa cu 18% zahăr este limpezită cu cărbune prin filtrare,

după care este concentrată şi supusă cristalizării. în unele procedee, melasa este introdusă în vase de decantare; stratul superior este destinat fabricaţiei de drojdie furajeră, iar cel inferior în amestec cu zer purificat se utilizează la fabricarea lactozei.

Proteinele din zer.

Aceste proteine, formate în principal din fracţiunile albuminică şi globulinică, se obţin într-o formă mai mult sau mai puţin denaturată, în procesul de purificare a zerului. Gradul de denaturare depinde de procedeul utilizat care evită denaturarea.

În vederea îmbunătăţirii calităţii, proteinele separate din zer se pot spăla cu apă caldă. Pentru conservarea acestui produs se recomandă deshidratarea până la maximum 10% umiditate.

Unele procedee de valorificare prevăd uscarea proteinei umede rezultate la filtrare prin filtrul presă şi utilizarea produsului obţinut pentru prepararea unor concentrate culinare.

Sedimentul rezultat la filtrare.

Sedimentul poate fi folosit a doua oară ca produs de umplere la filtrare. Pentru extragerea lactozei, sedimentul poate fi amestecat cu apă fierbinte după care amestecul se fierbe şi se decantează. Stratul superior se foloseşte pentru dizolvarea lactozei brute. Apele de spălare de la filtrul presă sunt, de asemenea, folosite pentru dizolvare, sau în amestec cu zerul purificat sunt trimise la concentrare.

Prin fermentarea lactozei sub acţiunea unor bacterii lactice şi/sau drojdii, din zer se pot obţine numeroase băuturi destinate alimentaţiei umane, integrând astfel acest subprodus în circuitul alimentar.

Zerul este un substrat convenabil pentru ultivarea unor drojdii sau mucegaiuri în vederea obţinerii proteinelor de biosinteză (denumite şi proteine monocelulare). Biomasa rezultată în acest mod constituie o sursă potenţială de compuşi organici valoroşi (proteine, acizi nucleici, nucleotide, vitamine etc). Procedeele de obţinere a proteinelor de biosinteză prezintă un interes particular în condiţiile crizei de substanţe proteice destinate alimentaţiei umane.

Proteine monocelulare de biosinteză

Cultivarea unor drojdii în zer se bazează pe proprietatea acestora de a metaboliza* lactoza. Având, aproximativ 50% din substanţa uscată sub formă de proteine precum şi altei substanţe nutritive, drojdia reprezintă un excelent furaj, dar, supus unui tratament corespunzător, prezintă interes şi în alimentaţia umană. în prezent, cultivarea drojdiilor se face, atât pentru obţinerea unui zer cu celule în suspensie, în care lactoza a fost transformată în biomasă (cu conţinut ridicat de proteine şi vitamine), cât şi de drojdie uscată.

O serie de cercetări întreprinse în acest domeniu au permis să se stabilească condiţiiletehnologice de producere a drojdiei din zer şi să se elaboreze câteva procedee cu aplicaţieindustrială.

Drojdii utilizate.

Lactoza este principala sursă de carbon din zer, fiind substratul fermentescibil pentru drojdiile capabile să o utilizeze. Au fost încercate diferite specii de, drojdii dar se pare ca cele mai bune rezultate au fost obţinute cu Kluyveromyces fragili (sinonim Saccharomyces), în comparaţie cu tulpini izolate din brânză sau zer.

De asemenea, au fost propuse, pentru capacitatea lor de a se dezvolta pe zer, şi Candida pseudotropicalis, Candida utilis, Torulopsis sphaerica, Torida lactosa.

Zerul ca mediu de cultură.

Datorită cantităţilor mari de zer care rezultă în industria lptelui, el reprezintă un substrat de cea mai mare importanţă pentru biosinteză proteinelor monocelulare. în general, se poate utiliza zerul provenit de la fabricarea oricărui tip de brânză, însă, s-a constatat că pe zerul acid (pH = 4,1) se obţin randamente superioare faţă de cele realizate cu zer dulce (pH = 6,3+6,5). Valoarea optimă de pH pentru producţia maximă de drojdie este între 5 şi 5,7, însă ea poate creşte în cursul fermentării la peste 8,5, cu reducerea corespunzătoare a vitezei de creştere a drojdiei. În acest caz, se impune reducerea pH-ului cu adaos de acid sau întreruperea aerării. Un conţinut prea mare de grăsime în zer poate produce, dificultăţi la uscarea produsului finit.

Pentru o multiplicare activă a celulelor de drojdie, este necesar ca zerul să fie suplimentat cu o serie de substanţe nutritive, deoarece numai 25%> din azotul zerului poate utilizat de drojdie, se adaugă sulfat de amoniu în proporţie de 0,85%, iar pentru a se ajunge te . concentraţia optimă de fosfor, se adaugă fosfat dipotasic 0,5%.

1.12.5. Brânzeturi din zară

Zara are un conţinut de substanţe proteice asemănătoare cu al laptelui şi, sub acest aspect, poate constitui materia primă pentru fabricarea brânzeturilor. Nu trebuie însă neglijat faptul că proteinele din zară au un anumit grad de denaturare determinat de tratamentul smântânii în fabricarea untului. Pe de altă parte, zara provenită din smântână fermentată poate avea un grad relativ ridicat de aciditate care limitează utilizarea sa în acest domeniu. Pentru fabricarea brânzeturilor, zara se poate utiliza ca atare sau în amestec cu laptele degresat într-o proporţie care se stabileşte în funcţie de aciditatea acestora. Se poate prepara astfel brânza slabă de vacă, brânzeturi desert şi aperitiv, brânză telemea şi brânză pentru topire. S-au făcut încercări şi pentru obţinerea brânzeturilor tari.

Consistenţa brânzei de vaci obţinută din zară, prin procedeul acid, este asemănător cu a produsului preparat din lapte degresat prin coagulare cu cheag. Procesul de fabricaţie prezintă particularităţi în funcţie de caracteristicile zarei utilizate ca materie primă. Astfel, zara dulce se însămânţează în prealabil cu 3+3,5% maia de bacterii acidifiante. De asemenea, dacă zara acidă are o aciditate prea redusă (sub 55+60°T), ea este încălzită la 30+35°C, pentru a se favoriza fermentaţia lactica. Se va evita prelucrarea zarei militate cu apele de spălare a untului, a cărei coagulare cu cheag este dificilă.