Tehnologia de procesare a zerului și a derivaților
Zerul este un produs secundar important al industriei lactate, în special în producția de brânzeturi și cazeină. Timp de mulți ani, zerul a fost considerat deșeu datorită volumului său mare, conținutului organic ridicat și potențialei poluări dacă este eliminat fără tratare. Cu toate acestea, progresele în tehnologia alimentară și bioprocesare au schimbat această perspectivă: zerul este acum văzut ca o materie primă de mare valoare datorită bogăției sale în proteine, lactoză, minerale și compuși bioactivi. Au fost dezvoltate diverse tehnologii de procesare pentru a transforma zerul într-o varietate de produse derivate, de la concentrate de proteine la materii prime farmaceutice și nutraceutice.
Compoziția și caracteristicile zerului
În general, zerul conține aproximativ 93-94% apă și 6-7% solide solubile. Aceste solide constau din lactoză (aproximativ 70-75% din totalul solidelor), proteine din zer (aproximativ 10-15% din solide), minerale (cenușă) și componente minore, cum ar fi vitaminele solubile în apă și acizii organici. Principalele proteine din zer sunt β-lactoglobulina, α-lactalbumina, albumina serică bovină, imunoglobulinele și lactoferina. Caracteristicile zerului sunt influențate de tipul de proces de fabricație: zerul dulce este derivat din coagularea enzimatică (cheag) în fabricarea brânzeturilor, în timp ce zerul acid este derivat din coagularea acidă (de exemplu, fabricarea iaurtului sau a brânzei proaspete). Zerul acid tinde să aibă un pH mai scăzut și un conținut mineral diferit, astfel încât strategiile de procesare pot varia.
Provocări de mediu și motive pentru procesare
Zerul are valori ridicate ale CBO (cerinței biochimice de oxigen) și CCO (cerinței chimice de oxigen), în principal datorită conținutului de lactoză. Dacă este eliminat direct, zerul poate epuiza oxigenul dizolvat în corpurile de apă și poate perturba ecosistemele. Prin urmare, prelucrarea zerului nu este doar un efort de a crește valoarea adăugată, ci și o soluție pentru reducerea poluării. Tehnologia modernă urmărește să extragă componente valoroase din zer și să utilizeze fracțiunile rămase prin fermentare sau conversie energetică.
Etapele de bază ale procesării zerului
Prelucrarea zerului începe, în general, cu clarificarea și separarea grăsimilor. Această etapă poate utiliza un separator centrifugal pentru a îndepărta particulele fine, reziduurile de cheag și grăsimea. Apoi se efectuează pasteurizarea pentru a reduce încărcătura microbiană și a asigura siguranța prelucrării ulterioare. Zerul este apoi supus concentrării și fracționării folosind tehnologia cu membrană sau evaporare, în funcție de produsul dorit.
Tehnologia membranelor: Inima fracționării moderne
Tehnologia membranei este coloana vertebrală a procesării zerului, deoarece este capabilă să separe componentele în funcție de dimensiunea moleculară și sarcina, în condiții de temperatură relativ scăzută, astfel încât calitatea proteinelor să fie menținută.
1. Microfiltrare (MF)
Filtrarea microfluide (MF) este utilizată pentru a îndepărta particulele în suspensie, bacteriile și globulele de grăsime. Acest lucru este esențial pentru îmbunătățirea stabilității produsului final și prevenirea colmatării membranelor în etapele ulterioare.
2. Ultrafiltrare (UF)
UF separă proteinele din zer (retentat) de lactoză și minerale (permeat). UF produce concentrat proteic din zer (WPC) cu niveluri variabile de proteine (de exemplu, 35%, 60% sau 80%). Cu cât conținutul de proteine este mai mare, cu atât valoarea sa este mai mare și aplicațiile mai largi în băuturile proteice, produsele de panificație și alimentele funcționale sunt mai mari.
3. Diafiltrare (DF)
Spălarea prin spălare a retentatului UF cu apă pentru a reduce conținutul de lactoză și minerale. Această etapă este crucială pentru producerea de WPC cu un gust mai curat și un conținut mai scăzut de lactoză.
4. Nanofiltrare (NF)
Filtrarea netă a lactozei este utilizată pentru concentrarea lactozei și îndepărtarea parțială a mineralelor din permeatul de ultraviolență. Această tehnologie este eficientă pentru ajustarea profilului mineral și pregătirea materiilor prime pentru producția de lactoză sau sirop.
5. Osmoză inversă (RO)
RO accentuează concentrarea apei (deshidratare). Zerul poate fi redus în volum cu RO înainte de evaporare, economisind astfel energie.
Avantajele tehnologiei cu membrane sunt eficiența energetică, flexibilitatea și capacitatea de a produce fracții de mare valoare. Principalele provocări constau în murdărirea membranei, necesitatea curățării CIP și optimizarea presiunii și temperaturii pentru a menține debite stabile.
Evaporare și uscare: Transformarea zerului într-un produs stabil
După concentrare, zerul este de obicei procesat într-un evaporator multi-efect pentru a crește conținutul total de solide. Apoi este uscat folosind un uscător prin pulverizare pentru a produce pudră de zer sau pudră proteică. Uscarea prin pulverizare permite o durată lungă de valabilitate, ușurință în transport și aplicare în diverse formulări alimentare.
Pentru produse precum WPC și izolatul proteic din zer (WPI), controlul temperaturii în timpul uscării este important pentru a preveni denaturarea excesivă a proteinelor, a menține solubilitatea și a menține proprietățile funcționale, cum ar fi spumarea, emulsionarea și gelificarea.
Concentrat proteic din zer (WPC) și izolat proteic din zer (WPI)
– WPC-ul este produs în principal prin UF și uscare. Conținutul său de proteine variază, dar conține totuși lactoză și minerale. WPC-ul este adesea utilizat pentru a îmbunătăți textura, senzația în gură și valoarea nutritivă a produselor.
– WPI are un conținut foarte ridicat de proteine (de obicei >90%) și un conținut foarte scăzut de lactoză. Producția sa necesită procese suplimentare, cum ar fi filtrarea intensivă, schimbul de ioni sau combinații avansate de membrane. WPI este popular în produsele de nutriție sportivă, alimentele medicale și formulările care necesită un conținut scăzut de lactoză.
Pe lângă conținutul de proteine, calitatea WPC/WPI este determinată de profilul său de aminoacizi (bogat în BCAA), solubilitate și gradul de denaturare. Inovația procesului se concentrează pe producerea de „proteine native din zer” cu un tratament termic minim, menținând astfel mai bine structura proteinei.
Producția de derivați de lactoză și carbohidrați
Permeatul de UF este bogat în lactoză și minerale. Lactoza poate fi produsă prin cristalizare după concentrare și suprasaturare. Lactoza este utilizată pe scară largă în industria alimentară (de exemplu, în produsele de cofetărie), farmaceutică (ca excipient pentru tablete) și în hrana animalelor.
Lactoza poate fi, de asemenea, hidrolizată folosind enzima lactază în glucoză și galactoză pentru a produce produse cu conținut scăzut de lactoză. Această hidroliză este benefică pentru consumatorii intoleranți la lactoză și crește, de asemenea, nivelul de dulceață, reducând astfel zahărul adăugat în anumite formulări.
O altă tehnologie avansată este producerea de oligozaharide precum GOS (galacto-oligozaharide) prin reacții de transgalactozilare. GOS sunt foarte apreciate datorită proprietăților lor prebiotice și sunt utilizate pe scară largă în formulele de lapte pentru sugari și băuturile funcționale.
Fermentația zerului: De la deșeu la bioprodus
Fermentația este o cale importantă pentru utilizarea zerului, în special a fracției bogate în lactoză. Cu ajutorul unor microorganisme selectate, zerul poate fi transformat în:
– Acid lactic: materie primă pentru bioplasticele PLA și industria alimentară.
– Etanol: prin fermentarea anumitor drojdii; poate fi utilizat în industrie sau pentru producerea de energie.
– Acid acetic, acid propionic și alți metaboliți: pentru aplicații alimentare și chimice.
– Biomasă microbiană: de exemplu, producerea anumitor drojdii sau probiotice.
Printre provocările fermentării zerului se numără variațiile compoziției materiei prime, necesitatea suplimentării cu nutrienți și controlul contaminării. Integrarea fermentării cu sisteme de separare (de exemplu, membrană sau purificare) poate îmbunătăți randamentul și eficiența procesului.
Produse bioactive: Lactoferină și peptide funcționale
Tehnologiile moderne de purificare permit izolarea componentelor minore de mare valoare, cum ar fi lactoferina și imunoglobulinele. Metodele utilizate includ cromatografia, membranele selective și precipitarea controlată. În plus, proteinele din zer pot fi hidrolizate folosind enzime pentru a produce peptide bioactive cu potențială activitate antihipertensivă, antioxidantă sau imunomodulatoare. Aceste produse sunt dezvoltate pe scară largă în sectoarele nutraceutice și alimentare funcționale.
Tendințe și inovații: către procese mai ecologice
Direcția actuală a dezvoltării tehnologiei de procesare a zerului pune accentul pe eficiența energetică, reducerea apei de proces și utilizarea zero a deșeurilor. Combinațiile de osmoză inversă și evaporare pentru economisirea energiei, utilizarea membranelor cu rezistență îmbunătățită la murdărire și integrarea biorafinăriilor (producerea de proteine, lactoză, acizi organici și energie dintr-un singur flux de zer) sunt în centrul cercetării industriale.
În plus, digitalizarea proceselor, cum ar fi monitorizarea în timp real a murdăririi, controlul CIP automat și optimizarea parametrilor de funcționare bazată pe date, ajută fabricile să îmbunătățească consecvența calității, reducând în același timp costurile de producție.
Închidere
Zerul s-a transformat dintr-un produs rezidual din industria lactatelor într-o sursă strategică de materie primă pentru alimente, produse farmaceutice și bioproduse. Prin tehnologia membranei, evaporare, uscare, cristalizare, fermentare și purificare a compușilor bioactivi, zerul poate fi procesat în diverse derivate de mare valoare, cum ar fi WPC, WPI, lactoză, GOS, acid lactic și peptide funcționale. Pe viitor, integrarea tehnologiei cu o abordare de biorafinărie are potențialul de a face procesarea zerului mai eficientă, mai ecologică și mai profitabilă, susținând în același timp conceptul de economie circulară în industria alimentară.
