Zerul este o soluție apoasă care conține aproximativ 50% din nutrienții originali prezenți în lapte, cum ar fi zahărul din lapte (lactoza), proteine ​​​​serice (proteine ​​din zer), minerale și toate substanțele solubile în apă. componente minore, cum ar fi vitaminele. Mai puțin avut în vedere, din păcate, de procesatorii de lapte din România, zerul rămâne una dintre cele mai prețioase materii prime derivate din lapte, calitățile sale fiind reparcate în lucrarea ”Byproducts from Dairy Processing”, care i-a avut ca autori pe Diana Oliveira, Patrick Fox și James A.Omahony, de la Dairy Processing Technology Centre, University College Cork, Ireland.

Clasificare și compoziție

În funcție de originea și prelucrarea sa, zerul poate fi clasificat în zer acid (acidificare), zer cheag (coagulare enzimatică), zer de brânză (enzimatică/acidificare) și zer ideal/nativ (MF).

Zerul dulce se referă la brânză și zerul de cheag din producția de brânză și, respectiv, de cazeină de cheag, iar zerul acid este generat din fabricarea de cazeine acide (Bansal și Bhandari (2016). Compoziția zerului acid și cheag (dulce) diferă semnificativ.

Producția globală de zer este raportată la aproximativ 180-190 de milioane de tone pe an (Mollea și colab. (2013), cea mai mare parte fiind zer dulce, zerul fiind procesat într-o gamă largă de produse diferite.

Fiind cel mai mare volum de produs secundar al industriei lactatelor, zerul reprezintă o provocare de eliminare/conversie, în principal datorită conținutului său ridicat de lactoză, care este în mare parte responsabilă pentru cererea biochimică de oxigen (BOD) (30 000–50 000 ppm) și oxigenul său chimic (50000–80 000 ppm) (Ortega-Requena și Rebouillat 2015).

Atitudinea față de zer și utilizarea lui s-a schimbat de-a lungul anilor, de la a fi considerat un deșeu, pentru a fi tratat cât mai ieftin posibil (de exemplu, ca hrană pentru porci, irigat pe pământ sau aruncat în căi navigabile), la un produs secundar și, în prezent, o materie primă cu valoare adăugată.

În zilele noastre, considerentele de mediu și noile tehnologii fac posibilă din punct de vedere tehnologic și viabil din punct de vedere economic producerea unei game largi de produse valoroase din zer, cu mai multe aplicații în alimentație, fie ca ingrediente funcționale, fie ca suplimente nutritive, și în aplicații farmaceutice. Dar, iată mai jos principalele ingrediente din zer

Zerul din brânză

În 2011, producția mondială de brânză a fost de aproximativ 17 milioane de tone anual, ceea ce echivalează cu aproximativ 157 milioane de tone de zer (Paterson 2011). Brânza poate fi produsă prin utilizarea enzimelor, care coagulează cazeina, generând zer dulce sau prin adăugarea de acid (de exemplu, glucono-δ-lactonă, lactică, sulfuric, fosforic, clorhidric).

Varietățile de brânză din care se generează zer dulce includ Cheddar, Mozzarella/Pizza, elvețiană și olandeză, dar și autohtona noastră telemea. Zerul acid are un nivel mai mare de calciu decât zerul dulce. Fosfatul de calciu este mai solubil la pH mai scăzut. Prin urmare, pH-ul mai scăzut al zerului acid va atrage mai mult calciu din coagul de brânză în zer decât zerul dulce.

Varietățile de brânză din care se generează zerul acid includ brânză Cottage, Ricotta, Quark și cremă (Smith 2008). În timpul fabricării brânzei, annatto este adesea adăugat la laptele de brânză pentru a conferi o culoare galbenă/portocalie brânzei.

Totuși, annatto rezidual din ingredientele proteice din zer este nedorit în multe aplicații (Kang și colab. 2010), fiind de obicei preferat un ingredient din zer limpede și incolor.

În plus, există limite stricte de reglementare privind concentrațiile de norbixină, principalul carotenoid din annatto, în ingredientele destinate aplicării în formule pentru sugari (Campbell et al. 2014), în timp ce prezența agenților de albire (de exemplu, peroxid de benzoil sau peroxid de hidrogen) în ingrediente pe bază de zer destinate utilizării în formulele pentru sugari este, de asemenea, strict reglementată.

Obstacole de reglementare

Obstacolele de reglementare accelerează eforturile de reducere a transferului de reziduuri de coloranți și/sau de înălbitor în zerul destinat utilizării la fabricarea ingredientelor nutritive premium.

Aceste considerații au intensificat cercetările privind utilizarea alternativelor coLoranți în fabricarea brânzeturilor, cum ar fi β-carotenul, care este prezent în mod natural în lapte (Moeller și colab. 2014), ingrediente, noi coloranți care se asociază cu matricea de brânză pe bază de proteine ​​​​de cazeină și nu sunt transferate în fluxul de zer (de exemplu, ClearWhey din Cybercolors, Cork, Ireland și Whitewhey de la Chr Hansen, Copenhaga, Danemarca, respectiv), și abordări care implică producția de brânză din retentate de lapte MF, prin care zerul nativ/ideal este îndepărtat fizic în amonte de fabricarea brânzei.

Din punct de vedere al valorizării, pot fi luate în considerare două opțiuni diferite de utilizare a zerului de brânză:

-Prima se bazează pe aplicarea tehnologiilor de recuperare a componentelor valoroase precum proteinele și lactoza (Mollea et al. 2013), care este subiectul din următoarele câteva secțiuni.

-A doua opțiune se bazează pe aplicarea proceselor de fermentație pentru a obține produse cu valoare adăugată (Prazeres et al. 2012) precum acizi organici (de exemplu, lactic, succinic și propionic), proteine ​​și uleiuri unicelulare, biopolimeri (enzime, polihidroxialcanoați, exopolizaharide). ), și bacteriocine, dintre care unele sunt discutate în secțiunile ulterioare ale acestui capitol.

Zerul de smântână și zerul de unt

Zerul de smântână, un produs secundar generat din prelucrarea zerului, este îndepărtată fizic din zerul proaspăt prin separare centrifugă, pentru a reduce conținutul de grăsime al produselor pe bază de proteine ​​din zer și pentru a îmbunătăți eficiența proceselor de îmbogățire a proteinelor din zer. zer (de exemplu, ultrafiltrare).

Zerul de smântână are o compoziție similară cu cea a smântânii dulci, dar niveluri mai ridicate de grăsimi nesaturate, fosfolipide biologic active (de exemplu, sfingomielina) și proteine ​​(de exemplu, mucine), ultimele componente provenind din membrana globulelor de grăsime din lapte (MFGM).

Prin urmare, smântâna de zer are potențialul ca materie primă pentru producerea de ingrediente bioactive bogate în lipide, cu funcționalități nutriționale și tehnologice interesante.

La rândul său, zerul de unt, care este produs prin amestecarea smântânei de zer, a câștigat atenția din partea industriei lactatelor datorită cantităților mari de zer și smântână de zer pentru produse din industria producătoare de brânzeturi (Jinjarak et al. 2006).

În prezent, există foarte puține utilizări atractive din punct de vedere economic pentru acest coprodus și este, în general, absorbit de industria principală a untului, cantități substanțiale fiind convertite în ulei de unt. Orice cercetare care contribuie la o mai bună valorificare a acestui produs ar fi de valoare pentru producătorii de unt.

Din producția de unt de zer, laptele de zer (WBM) este generat ca produs secundar. Sodini și colab. (2006), se referă la WBM ca la un ingredient potențial nou, cu proprietăți de emulsionare mai bune și capacitate de spumare mai scăzută, împreună cu niveluri bune de solubilitate a proteinelor, vâscozitate și capacitate de emulsionare pe un interval de pH de 4-6, în comparație cu zara dulce și acrișoară.

Cu toate acestea, WBM este mai sărat, acru și astringent decât smântâna dulce (Olabi et al. 2015).

Zerul praf

Zerul praf este un produs de zer uscat produs din zer proaspăt prin concentrarea solidelor utilizând evaporarea, răcirea, însămânțarea cu cristale de lactoză și uscarea prin pulverizare a materialului rezultat.

Zerul proaspăt este, în mod normal, pretratat prin limpezire pentru a îndepărta urmele de brânză și caș, ți separat pentru îndepărtarea grăsimii (adică, smântână de zer) și termizarea sau pasteurizarea pentru a inactiva activitatea de cultură a cheagului rezidual și a inițiatorului (în cazul zerului de brânză și cheag).

Aceste pre-tratări ale zerului lichid proaspăt sunt în general comune pentru producerea tuturor ingredientelor pe bază de zer. Zerul praf poate fi greu de uscat, în special zerul acid praf pe bază de zer, datorită concentrației mari de lactoză din toate produsele din zer praf și mineralele și acidul lactic în cazul zerului acid în special.

Cristalizarea lactozei înainte de uscarea prin pulverizare este necesară deoarece forma cristalizată a lactozei este considerabil mai stabilă în timpul uscării prin pulverizare și produce o pulbere mai puțin higroscopică, cu un randament îmbunătățit și o stabilitate fizică mai bună a produsului pulbere uscat.

Nanofiltrarea (NF) este uneori utilizată pentru a pre-concentra zerul lichid pretratat înainte de evaporare, deoarece se realizează demineralizarea parțială în plus față de o creștere a solidelor totale, ajutând la îmbunătățirea performanței de uscare a concentratului rezultat.

Uscarea prin pulverizare, cu tehnologia integrată în pat fluidizat, este în general utilizată pentru a usca zerul praf, în timp ce procesele de uscare cu bandă sunt uneori utilizate și.

Pudrele de zer conțin de obicei 11–13% proteine, 72–75% lactoză și 8–9% minerale și au o gamă largă de aplicații în formulările alimentare, de ex. înghețată, panificație și deserturi datorită funcționalităților nutriționale și fizico-chimice cheie, cum ar fi solubilitatea ridicată, vâscozitatea scăzută și stabilitatea bună la căldură.

Zerul demineralizat

Deși zerul praf are multe aplicații, unul dintre aspectele compoziționale care limitează utilizarea sa în aplicații cu valoare adăugată este conținutul ridicat de minerale (8–9%). Dar zerul demineralizat este produs prin îndepărtarea mineralelor din zerfolosind una sau mai multe tehnologii, inclusiv schimbul de ioni, electrodializa și NF.

Electrodializa a fost introdusă pentru prima dată pentru demineralizarea zerului în anii 1960, eliminând selectiv ionii de sodiu și clorură, făcând posibilă producția comercială de produse nutritive pentru sugari cu predominanță în proteine ​​din zer.

Tehnologia schimbului de ioni a fost introdusă mai recent în industria laptelui pentru demineralizarea zerului, deoarece oferă mai multă flexibilitate pentru îndepărtarea mineralelor (atât ionii mono- cât și ioni divalenți).

Ca urmare, NF este din ce în ce mai utilizat pentru a preconcentra și a demineraliza parțial zerul lichid și multe instalații comerciale mai noi de demineralizare a zerului folosesc combinații de două sau mai multe dintre aceste tehnologii. Zerul demineralizat este un ingredient important în industria formulelor pentru sugari, unde există limite de reglementare stricte privind nivelurile de minerale individuale din produsul final, în timp ce este utilizat și în alte aplicații (de exemplu, înghețată, brutărie și cofetărie) unde conținutul ridicat de minerale din zerul praf obișnuit ar fi o problemă.

Zerul demineralizat este disponibil cu diferite grade de demineralizare, iar zerul demineralizat 90 (adică Demin 90) este cea mai comună formă, fiind utilizat pe scară largă în produsele nutriționale pentru sugari, prin care încărcătura minerală a zerului obișnuit este redusă cu ~90% (adică de la 9% până la 1% în ingredientul de zer pudră).

Produse pe bază de proteine ​​din zer

La scară comercială, o gamă de produse îmbogățite cu proteine ​​din zer poate fi preparată din zer lichid pretratat folosind diferite abordări. WPC-urile sunt fabricate prin UF sau combinat UF/DF de zer, urmată de concentrația solidelor totale, fie prin evaporare în vid, fie prin NF și uscare prin pulverizare.

Raportul lactoză: proteină scade pe măsură ce conținutul de proteine ​​​​crește de la ~35% (WPC35) la 80% (WPC80). Sunt necesari factori de concentrație mai mare de proteine ​​și grade de diafiltrare pentru a obține un conținut mai mare de proteine. WPC-urile bogate în proteine ​​au crescut în popularitate în ultimii ani datorită proliferării produselor nutritive (de exemplu, băuturi și batoane) care sunt adesea formulate pentru a fi bogate în proteine ​​și sărace în carbohidrați.

WPI-urile pot fi fabricate prin separare prin membrană sau schimb ionic, în care proteinele sunt adsorbite pe o rășină schimbătoare de ioni, spălate fără lactoză și săruri și apoi eluate selectiv cu acid sau alcali.

Alternativ, poate fi utilizat un proces combinat MF/UF/DF, la fel ca producerea unui WPC bogat în proteine, cu excepția faptului că grăsimea este îndepărtată de MF. În astfel de procese, UF este în general utilizat pentru a concentra mai întâi proteinele în zerul lichid, reducând astfel sarcina hidraulică pe treapta MF. În timpul UF, orice grăsime reziduală și material fosfolipidic din zerul lichid este concentrat împreună cu proteina, dar este îndepărtat ulterior de MF.

Un al doilea pas UF este apoi utilizat pentru a concentra zerul în continuare. Sunt disponibile WPI cu un conținut de proteine ​​de 90–95% și sunt de obicei utilizați în produse nutriționale de ultimă generație (de exemplu, suplimente nutritive pentru sport).

Diferențe de compoziție

Diferențele de compoziție între WPI-urile produse prin schimbul de ioni sau filtrarea pe membrană sunt relativ mici, deși cele produse prin filtrarea pe membrană conțin în general un nivel mult mai ridicat de CMP.

Proprietățile funcționale ale WPC și WPI sunt foarte interesante și fac aceste două tipuri de ingrediente proteice din zer extrem de versatile și susțin formularea și dezvoltarea multor produse alimentare, după cum urmează (Ramos et al. 2016):

•îmbunătățirea aerării în panificație și cofetărie produse;

•imbunătățește culoarea și gustul prin interacțiunea dintre proteine ​​și lactoza din timpul procesării termice (reactii Maillard) în produsele de bomboane (de exemplu, caramele, caramele și siropuri fierte);

• înlocuiți laptele praf degresat în formulările de produse lactate (de exemplu, iaurt, înghețată și băuturi cu ciocolată cu lapte);

•imbunatateste calitatea carnii si a pestelui datorita atributelor emulsionante, gelatinoase si hidrofile;

•dezvoltarea formulei pentru sugari cu beneficii nutriționale prin ajustarea compoziției formulei la cea a laptelui uman; și

• dezvoltarea alimentelor dietetice cu valoare ridicată de sațietate – conținut scăzut de grăsimi și conținut ridicat de proteine, cu o compoziție excelentă de aminoacizi.

Produse secundare

Produsele WPC și WPI bogate în proteine ​​sunt ingrediente cheie în mai multe domenii de creștere ale industriei alimentare, cum ar fi formulele pentru sugari, nutriția clinică și nutriția sportivă.

Aceste ingrediente contribuie cu majoritatea proteinelor din formulele cu conținut scăzut de lactoză și fără lactoză pentru sugari, care au un raport proteină din zer: cazeină similar cu laptele uman (adică 60: 40). În nutriția clinică/sportiva, WPC/WPI-urile sunt apreciate pentru concentrațiile mari de aminoacizi esențiali și cu lanț ramificat și pentru capacitatea lor de a ajuta sinteza musculară.

Fracții de proteine ​​îmbogățite selectiv

Fracțiunile îmbogățite ale proteinelor individuale din zer atrag un interes din ce în ce mai mare la nivel industrial și sunt, în general, preparate din zer lichid proaspăt pretratat.

WPC-urile îmbogățite în α-lactalbumină (α-la) pot fi produse în două moduri, (i) în care îmbogățirea α-la este realizată prin concentrarea α-la rezultând într-un raport α-la:β-lactoglobulină (β-lg) crescut sau (ii) în cazul în care CMP a fost epuizat, rezultând un nivel crescut de α-la pe bază de greutate, dar un α-la:β neschimbat -lg raport.

Astfel de ingrediente sunt de interes pentru utilizare în formulele premium pentru sugari și produse medicale/terapeutice (de exemplu, proprietățile de stimulare a somnului ale α-la).

Lactoferina și lactoperoxidaza sunt produse din zer folosind cromatografia cu schimb de ioni, deoarece aceste proteine ​​au puncte izoelectrice foarte mari și sunt încărcate pozitiv la pH-ul natural al laptelui/zerului, ceea ce permite adsorbția/eluția lor selectivă din zer (și ocazional, lapte) folosind cationi. schimb de rășini.

Lactoferina este o proteină majoră în laptele uman, unde este prezentă la o concentrație de aproximativ 10 ori mai mare decât în ​​laptele de bovine. Formulele pentru sugari suplimentate cu lactoferină sunt vândute în Asia (Tomita et al. 2009), iar lactoferina și-a găsit aplicație și în aplicații cosmetice și de îngrijire a sănătății (El-Loly și Mahfouz 2011).

Pentru a produce 1 kg de lactoferină, este nevoie de un volum mare de zer (~10 000 l) (Etzel 2004), ceea ce înseamnă că ingredientul final are de obicei un preț ridicat (~200–300 USD/kg), care la rândul său limitează potențialul bază de consum pentru cei care formulează produse alimentare.

Osteopontina este o proteină minoră din zer care poate fi îmbogățită în zer folosind diferite combinații de MF și schimb de ioni. Se consideră că acest ingredient are potențiale beneficii pentru sănătate (de exemplu, mineralizarea oaselor) atunci când este adăugat în formula pentru sugari. CMP este un ingredient valoros, în special ca sursă alimentară pentru persoanele care suferă de fenilcetonurie (PKU). PKU se caracterizează printr-o incapacitate de a metaboliza aminoacidul esențial, fenilalanina, care elimină practic proteinele ca sursă de aminoacizi în dieta PKU.

Înlocuitorii de proteine ​​din dietele cu PKU se bazează în principal pe amestecuri de aminoacizi fără fenilalanină. CMP nu conține aminoacizi aromatici, inclusiv fenilalanina, ceea ce îl face o alternativă viabilă la amestecurile de aminoacizi (van Calcar și colab. 2009).

În acest scop, s-a realizat purificarea la scară largă a CMP din zerul dulce, cele mai de succes metode utilizând schimbul de ioni de zer (Etzel 1999; McMahon et al. 2006). Fracția de zer generată în timpul cheagului MCC este, de asemenea, îmbogățită în CMP.