Tecnologia de processament de sèrum de llet i derivats
El sèrum de llet és un subproducte important de la indústria làctia, especialment en la producció de formatge i caseïna. Durant molts anys, el sèrum de llet es va considerar un residu a causa del seu gran volum, alt contingut orgànic i potencial contaminació si s'elimina sense tractament. Tanmateix, els avenços en la tecnologia alimentària i el bioprocessament han canviat aquesta perspectiva: el sèrum de llet ara es considera una matèria primera d'alt valor a causa de la seva riquesa en proteïnes, lactosa, minerals i compostos bioactius. S'han desenvolupat diverses tecnologies de processament per transformar el sèrum de llet en una varietat de productes derivats, que van des de concentrats de proteïnes fins a matèries primeres farmacèutiques i nutracèutiques.
Composició i característiques del sèrum de llet
En general, el sèrum de llet conté aproximadament entre un 93 i un 94% d'aigua i entre un 6 i un 7% de sòlids solubles. Aquests sòlids consisteixen en lactosa (aproximadament entre un 70 i un 75% del total de sòlids), proteïna del sèrum de llet (aproximadament entre un 10 i un 15% dels sòlids), minerals (cendres) i components menors com ara vitamines hidrosolubles i àcids orgànics. Les principals proteïnes del sèrum de llet són la β-lactoglobulina, l'α-lactalbúmina, l'albúmina sèrica bovina, les immunoglobulines i la lactoferrina. Les característiques del sèrum de llet estan influenciades pel tipus de procés de fabricació: el sèrum de llet dolç deriva de la coagulació enzimàtica (quall) en la fabricació de formatge, mentre que el sèrum de llet àcid deriva de la coagulació àcida (per exemple, en la fabricació de iogurt o formatge fresc). El sèrum de llet àcid tendeix a tenir un pH més baix i un contingut mineral diferent, de manera que les estratègies de processament poden variar.
Reptes ambientals i motius per al processament
El sèrum de llet té valors elevats de DBO (demanda bioquímica d'oxigen) i DQO (demanda química d'oxigen), principalment a causa del seu contingut en lactosa. Si s'elimina directament, el sèrum de llet pot esgotar l'oxigen dissolt a les masses d'aigua i alterar els ecosistemes. Per tant, el processament del sèrum de llet no només és un esforç per augmentar el valor afegit, sinó també una solució per reduir la contaminació. La tecnologia moderna busca extreure components valuosos del sèrum de llet i utilitzar les fraccions restants mitjançant la fermentació o la conversió d'energia.
Etapes bàsiques del processament del sèrum de llet
El processament del sèrum de llet generalment comença amb la clarificació i la separació del greix . Aquesta etapa pot utilitzar un separador centrífug per eliminar partícules fines, residus de quallada i greix. A continuació, es realitza la pasteurització per reduir la càrrega microbiana i garantir la seguretat del processament posterior. El sèrum de llet se sotmet a concentració i fraccionament mitjançant tecnologia de membrana o evaporació, depenent del producte desitjat.
Tecnologia de membranes: el cor del fraccionament modern
La tecnologia de membranes és la base del processament del sèrum de llet, ja que permet separar els components en funció de la mida molecular i la càrrega, en condicions de temperatura relativament baixa, de manera que es manté la qualitat de la proteïna.
1. Microfiltració (MF)
La microfiltració magnètica s'utilitza per eliminar partícules en suspensió, bacteris i glòbuls de greix. Això és essencial per millorar l'estabilitat del producte final i evitar l'incrustació de les membranes en etapes posteriors.
2. Ultrafiltració (UF)
La UF separa la proteïna del sèrum de llet (retentat) de la lactosa i els minerals (permeat). La UF produeix concentrat de proteïna del sèrum de llet (WPC) amb diferents nivells de proteïna (per exemple, 35%, 60% o 80%). Com més alt sigui el contingut de proteïna, més gran serà el seu valor i les aplicacions més àmplies en begudes proteiques, productes de fleca i aliments funcionals.
3. Diafiltració (DF)
El rentat a fred (DF) és el rentat del retentat d'UF amb aigua per reduir el contingut de lactosa i minerals. Aquest pas és crucial per produir WPC amb un sabor més net i un contingut de lactosa més baix.
4. Nanofiltració (NF)
La NF s'utilitza per concentrar lactosa i eliminar parcialment els minerals del permeat d'UF. Aquesta tecnologia és eficaç per ajustar el perfil mineral i preparar matèries primeres per a la producció de lactosa o xarop.
5. Osmosi inversa (RO)
L'osmosi inversa (RO) emfatitza la concentració d'aigua (deshidratació). El sèrum de llet es pot reduir en volum amb RO abans de l'evaporació, estalviant així energia.
Els avantatges de la tecnologia de membranes són l'eficiència energètica, la flexibilitat i la capacitat de produir fraccions d'alt valor. Els principals reptes rauen en l'incrustació de la membrana, la necessitat de neteja CIP i l'optimització de la pressió i la temperatura per mantenir cabals estables.
Evaporació i assecat: convertir el sèrum de llet en un producte estable
Després de la concentració, el sèrum de llet es processa normalment en un evaporador multiefecte per augmentar el contingut total de sòlids. A continuació, s'asseca amb un assecador per polvorització per produir sèrum de llet en pols o proteïna en pols. L'assecat per polvorització permet una llarga vida útil, facilita el transport i facilita l'aplicació en diverses formulacions alimentàries.
Per a productes com el WPC i l'aïllat de proteïna de sèrum de llet (WPI), el control de la temperatura durant l'assecat és important per evitar la desnaturalització excessiva de les proteïnes, mantenir la solubilitat i mantenir les propietats funcionals com l'escuma, l'emulsificació i la gelificació.
Concentrat de proteïna de sèrum de llet (WPC) i aïllat de proteïna de sèrum de llet (WPI)
– El WPC es produeix principalment per UF i assecat. El seu contingut en proteïnes varia, però encara conté lactosa i minerals. El WPC s'utilitza sovint per millorar la textura, la sensació a la boca i el valor nutricional dels productes.
– El WPI té un contingut de proteïnes molt alt (normalment >90%) i un contingut de lactosa molt baix. La seva producció requereix processos addicionals com ara la filtració intensiva, l'intercanvi iònic o combinacions de membranes avançades. El WPI és popular en productes de nutrició esportiva, aliments mèdics i formulacions que requereixen un baix contingut de lactosa.
A més del contingut de proteïnes, la qualitat del WPC/WPI ve determinada pel seu perfil d'aminoàcids (ric en BCAA), la solubilitat i el grau de desnaturalització. La innovació del procés se centra en la producció de "proteïna de sèrum de llet nativa" amb un tractament tèrmic mínim, mantenint així millor l'estructura de la proteïna.
Producció de derivats de lactosa i carbohidrats
El permeat d'UF és ric en lactosa i minerals. La lactosa es pot produir per cristal·lització després de la concentració i la sobresaturació. La lactosa s'utilitza àmpliament en la indústria alimentària (per exemple, rebosteria), farmacèutica (com a excipient en comprimits) i en pinsos.
La lactosa també es pot hidrolitzar mitjançant l'enzim lactasa en glucosa i galactosa per produir productes baixos en lactosa. Aquesta hidròlisi és beneficiosa per als consumidors intolerants a la lactosa i també augmenta el nivell de dolçor, reduint així el sucre afegit en certes formulacions.
Una altra tecnologia avançada és la producció d'oligosacàrids com els GOS (galacto-oligosacàrids) mitjançant reaccions de transgalactosilació. Els GOS són molt valorats per les seves propietats prebiòtiques i s'utilitzen àmpliament en fórmules infantils i begudes funcionals.
Fermentació del sèrum de llet: de residu a bioproducte
La fermentació és una via important per a l'ús del sèrum de llet, especialment la fracció rica en lactosa. Amb microorganismes seleccionats, el sèrum de llet es pot convertir en:
– Àcid làctic: matèria primera per a bioplàstics PLA i la indústria alimentària.
– Etanol: mitjançant la fermentació de certs llevats; es pot utilitzar per a la indústria o l'energia.
– Àcid acètic, àcid propiònic i altres metabòlits: per a aplicacions alimentàries i químiques.
– Biomassa microbiana: per exemple la producció de certs llevats o probiòtics.
Els reptes de la fermentació del sèrum de llet inclouen variacions en la composició de la matèria primera, la necessitat de suplementació de nutrients i el control de la contaminació. La integració de la fermentació amb sistemes de separació (per exemple, membrana o purificació) pot millorar el rendiment i l'eficiència del procés.
Productes bioactius: lactoferrina i pèptids funcionals
Les tecnologies modernes de purificació permeten l'aïllament de components minoritaris d'alt valor com la lactoferrina i les immunoglobulines. Els mètodes utilitzats inclouen la cromatografia, les membranes selectives i la precipitació controlada. A més, la proteïna del sèrum de llet es pot hidrolitzar mitjançant enzims per produir pèptids bioactius amb potencial activitat antihipertensiva, antioxidant o immunomoduladora. Aquests productes estan àmpliament desenvolupats en els sectors nutracèutic i d'aliments funcionals.
Tendències i innovacions: cap a processos més ecològics
L'orientació actual del desenvolupament de la tecnologia de processament del sèrum de llet emfatitza l'eficiència energètica, la reducció de l'aigua de procés i la utilització de zero residus. Les combinacions d'osmosi inversa i evaporació per a l'estalvi d'energia, l'ús de membranes amb una resistència a l'incrustació millorada i la integració de la biorefineria (producció de proteïnes, lactosa, àcids orgànics i energia a partir d'un únic corrent de sèrum de llet) són el focus de la investigació industrial.
A més, la digitalització de processos, com ara el control d'incrustacions en temps real, el control CIP automatitzat i l'optimització dels paràmetres operatius basats en dades, ajuda les plantes a millorar la consistència de la qualitat alhora que redueix els costos de producció.
Tancament
El sèrum de llet ha passat de ser un producte residual de la indústria làctia a una font estratègica de matèria primera per a aliments, productes farmacèutics i bioproductes. Mitjançant la tecnologia de membranes, l'evaporació, l'assecat, la cristal·lització, la fermentació i la purificació de compostos bioactius, el sèrum de llet es pot processar en diversos derivats d'alt valor com ara WPC, WPI, lactosa, GOS, àcid làctic i pèptids funcionals. De cara al futur, la integració de la tecnologia i un enfocament de biorefineria té el potencial de fer que el processament del sèrum de llet sigui més eficient, respectuós amb el medi ambient i rendible, alhora que dóna suport al concepte d'economia circular en la indústria alimentària.
