DD236449B1 - METHOD FOR THE PRODUCTION OF WHEY PROTEIN SUSPENSIONS - Google Patents
METHOD FOR THE PRODUCTION OF WHEY PROTEIN SUSPENSIONSInfo
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Description
Die Ausfällung der Proteine aus Molke ist in der Milchwirtschaft seit langem bekannt. Die Molkenproteine können durch Hitze oder durch Zugabe von Fällungsmitteln, wie zum Beispiel Hydrokolloiden und Salzen ausgefällt und durch Separieren oder Sedimentieren abgetrennt werden.The precipitation of proteins from whey has long been known in the dairy industry. The whey proteins may be precipitated by heat or by the addition of precipitants such as hydrocolloids and salts and separated by separation or sedimentation.
Die Ausfällung der Molkenproteine durch Hitze-Säure-Fällung ist allgemein üblich. Ein Beispiel dafür ist die Hitzeenteiweißung bei der Laktoseherstellung (SPREER, Technologie der Milchverarbeitung, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1984). Ein weiteres technisch angewendetes Verfahren der Molkenproteinfällung durch Hitze ist das Centry-Whey-Verfahren (HAUSTEIN, Rückgewinnung von Molkenproteinen und deren Verwendungsmöglichkeiten in der Käserei, Deutsche Molkerei-Zeitung, München 93 Π972] 35, S. 1491-1499).The precipitation of the whey proteins by heat-acid precipitation is common practice. An example of this is the heat-whitening during lactose production (SPREER, Technologie der Milchverarbeitung, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1984). Another technically used method of whey protein precipitation by heat is the Centry-Whey method (HAUSTEIN, recovery of whey proteins and their uses in the dairy, German Dairy Newspaper, Munich 93 Π972] 35, p 1491-1499).
Die entscheidenden Nachteile dieser Verfahren liegen darin, daß etwa nur die Hälfte der in der Molke enthaltenen Proteine erfaßt werden und die anfallenden Produkte im allgemeinen für den Einsatz in Lebensmitteln wenig und insbesondere für Milcherzeugnisse nicht geeignet sind, da sie schlechte verarbeitungstechnische Eigenschaften aufweisen.The decisive disadvantages of these methods are that about only half of the proteins contained in the whey are detected and the resulting products are generally not suitable for use in foods and especially for dairy products, since they have poor processing properties.
Die Fällung der Molkenproteine als Komplexverbindungen mit Hydrokolloiden, wie zum Beispiel Pektin, Karrageen und Alginat, oder Sal2en der Polyphosphate und Eisen-Ill-Salze hat den Nachteil, daß nur ca. 50% der in der Molke enthaltenen Proteine erfaßt werden und die Anwendungsbreite dieser Produkte auf Grund der Hydrokolloid- b2w. Salzanteile nur auf spezifische Einsatzfälle begrenzt ist. Für die Weiterverarbeitung in Milcherzeugnissen, insbesondere in Käse, sind sie nicht geeignet.The precipitation of the whey proteins as complex compounds with hydrocolloids, such as pectin, carrageenan and alginate, or Sal2en of polyphosphates and iron-III salts has the disadvantage that only about 50% of the proteins contained in the whey are detected and the scope of this Products based on hydrocolloid b2w. Salts is limited only to specific applications. For further processing in milk products, especially in cheese, they are not suitable.
Weiterhin sind Verfahren zur gemeinsamen Fällung von Kasein und Molkenproteinen unter Nutzung der hitzeinduzierten Komplexbildung zwischen Kasein und Lactoglobulin als Kopräzipitat bekannt (KABUS, M. u. HÄRTUNG, H., Produktion von Milcherzeugnissen. VEB Fachbuchverlag Leipzig 1980, S.858-879).Furthermore, methods for co-precipitation of casein and whey proteins using the heat-induced complex formation between casein and lactoglobulin as coprecipitate are known (KABUS, M. and HÄRTUNG, H., Production of milk products., VEB Fachbuchverlag Leipzig 1980, p.858-879).
Die Anwendung der hitzeinduzierten Komplexbildung zwischen Kasein und Laktoglobulin für die Herstellung von Käse (POZNANSKI, S. u. a., XIX. Internationaler Milchwirtsch. Kongreß, New Dehli 1974, Bd. 1 D, S. 843-844) hat sich jedoch nicht durchgesetzt. Die schwerwiegenden Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der Verzögerung des Labgerinnungsverhaltens der Milch, der Veränderung im Reifungsverhalten des Käses und im Qualitätsverhalten, zum Beispiel in der Entwicklung des Bittergeschmacks.However, the application of heat-induced complex formation between casein and lactoglobulin for the production of cheese (POZNANSKI, S. et al., XIX International Dairy Congress, New Dehli 1974, Vol. 1 D, pp. 843-844) has not been successful. The serious disadvantages of this method are the delay in the coagulation behavior of the milk, the change in the ripening behavior of the cheese and in the quality behavior, for example in the development of the bitter taste.
Der Einsatz der Ultrafiltration für die Rückgewinnung der Molkenproteine wird im allgemeinen in zwei Richtungen verfolgt.The use of ultrafiltration for the recovery of whey proteins is generally followed in two directions.
Erstens der Herstellung von nativen, wasserlöslichen Proteinkonzentraten aus Molke und Weiterverarbeitung zu diätetischen Lebensmitteln, Milcherzeugnissen und Käse (DE-OS 2925568) und zweitens der Herstellung von Molkenproteinkonzentraten aus denaturiertem Milchserum und der Einsatz für die Diätetik (DE-OS 2914301). Bei Verwendung der ultrafiltrierten, wasserlöslichen Molkenpr-oteine zur Herstellung von Käse gehen diese zum größten Teil in der Molke über, da sie vom Käsebruch nicht gebunden werden. Diese Molkenproteine werden nicht verwertet.First, the production of native, water-soluble protein concentrates from whey and processing to dietetic foods, dairy products and cheese (DE-OS 2925568) and secondly the production of whey protein concentrates from denatured milk serum and the use for dietetics (DE-OS 2914301). When using the ultrafiltered, water-soluble whey proteine for the production of cheese they are mostly in the whey, as they are not bound by the curd. These whey proteins are not recycled.
Die Versuche zur Denaturierung der ultrafiltrierten Molkenproteinkonzentrate und der Einsatz derselben in der Käserei führten nichtzum gewünschten Erfolg, da die sich ausbildenden Molkenproteinaggregate im Käse als Stippen, die nicht käsereispezifisch abgebaut werden, verbleiben. Die vorgeschlagene Konzentrierung der denaturierten Molkenproteine führte ebenfalls nicht 2um gewünschten Ergebnis, da die vorgeschlagene Behandlung zu einer Eiweißaggregation führt und nach der Ultrafiltration die Proteine ausfallen. Diese Produkte lassen sich zwar gut zu solchen diätetischen Lebensmitteln verarbeiten, in denen die Eiweißflocken nicht stören, jedoch ist der Einsatz in der Käserei wegen der Stippenbildung im Käse bisher nicht erfolgreich gewesen.The attempts to denature the ultrafiltered whey protein concentrates and their use in the cheese dairy did not lead to the desired success, since the forming whey protein aggregates remain in the cheese as specks that are not degraded cheese specific. The proposed concentration of the denatured whey proteins also did not produce the desired result since the proposed treatment results in protein aggregation and the proteins precipitate after ultrafiltration. Although these products can be processed well into such dietary foods in which the protein flakes do not interfere, but the use in cheese dairy has been unsuccessful because of the specks in the cheese.
Gemäß der DE-AS 1181 034 wird durch Beeinflussung der Strömungsverhältnisse und der Produktzusammensetzung das Milcheiweiß von der Molke abgetrennt. Zur kontinuierlichen Abscheidung von Eiweiß aus Milch wird die Milch zunächst auf über 300SH gesäuert und im gallertartigen Zustand ohne Anwendung von Rührvorrichtungen bei einer Temperatur von über 45 0C mit einer Strömungsgeschwindigkeit entsprechend einer Reynold-Zahl von über 2320 durch einen Durchlauferhitzer gepumpt, wobei sich das Eiweiß in körniger Form von der Molke trennt und abgeschieden wird. Das Ziel dieses Verfahrens ist dieTrennung der Milch in Kasein und Molke im kontinuierlichen Verfahren durch die Herausbildung zweier getrennter Phasen, also die Aufspaltung einer Emulsion.According to DE-AS 1181 034, the milk protein is separated from the whey by influencing the flow conditions and the product composition. For continuous separation of protein from milk, the milk is first acidified to about 30 0 SH and pumped in the gelatinous state without the use of stirrers at a temperature above 45 0 C with a flow rate corresponding to a Reynold number of about 2320 through a water heater, wherein the protein is separated in granular form from the whey and is separated. The aim of this method is the separation of milk into casein and whey in the continuous process by the formation of two separate phases, ie the splitting of an emulsion.
In der DE-OS 16i7503wirdein kontinuierliches Verfahren zur Extraktion von Proteinen beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß das Milchserum in zwei Stufen auf 95°C erhitzt und anschließend mit Salzsäure kontinuierlich auf pH 4,7 gesäuert wird. Während einer Zeit von mindestens 15min werden die Proteine kontinuierlich vollständig ausgefällt. Durch Abkühlen des Serums wird der Eiweißniederschlag so verfestigt, daß er in einer kontinuierlich arbeitenden Zentrifuge abgetrennt werden kann. Dieses Verfahren hat die kontinuierliche Denaturierung der Molkenproteine in der Weise zum Ziel, daß eine kontinuierliche Abtrennung der Proteine aus dem Serum ermöglicht wird.In DE-OS 16i7503 a continuous process for the extraction of proteins is described. The method is characterized in that the milk serum is heated in two stages to 95 ° C and then acidified continuously with hydrochloric acid to pH 4.7. During a period of at least 15 minutes, the proteins are continuously completely precipitated. By cooling the serum, the egg white precipitate is solidified so that it can be separated in a continuous centrifuge. This method aims at the continuous denaturation of the whey proteins in such a way as to allow a continuous separation of the proteins from the serum.
In der DE-OS 2023135 wird ein weiteres Verfahren zur kontinuierlichen Gewinnung von Kasein aus Magermilch beschrieben. Die Milch wird nacheinander instabil gemacht und unter Rühren auf eine Temperatur von 40 bis 600C erwärmt, um eine Kaseinsuspension in der Molke herzustellen. Die Suspension wird einer Vorrichtung zugeführt, die mindestens einer Leitung mit einem verengten Teil oder einer Blende enthält, durch den die Suspension mit erhöhter Geschwindigkeit strömt. Diese so behandelte Suspension wird danach pasteurisiert und das Kasein abgetrennt. Bei Anwendung dieser Verfahrensbedingungen werden Kaseinkörner gebildet, die durch Schüttelsiebe abgetrennt werden können. Eine Suspension entsteht nicht, da zwei deutlich voneinander getrennte Phasen, die Kaseinkörner und die Molke, vorliegen.In DE-OS 2023135 another method for the continuous recovery of casein from skimmed milk is described. The milk is sequentially made unstable and heated with stirring to a temperature of 40 to 60 0 C to produce a casein suspension in the whey. The suspension is fed to a device containing at least one conduit with a restricted portion or aperture through which the suspension flows at an increased rate. This suspension treated in this way is then pasteurized and the casein is separated off. Using these process conditions, casein grains are formed which can be separated by shakers. A suspension does not arise because there are two distinct phases, the casein grains and the whey.
Diesen Verfahren ist gemein, daß keine Suspension gebildet wird, sondern unter Einwirkung der angewandten strömungstechnischen Bedingungen eine Aufspaltung der Milch in mehrere Phasen erfolgt.This method has in common that no suspension is formed, but takes place under the influence of the applied fluidic conditions, a splitting of the milk into several phases.
8ei allen angewandten Verfahren der Molkenproteingewinnung 2um Einsatz in der Käserei bzw. Lebensmittelindustrie treten die Nachteile auf, daß die Molkenproteine nach der Denaturierung sowohl vor als auch nach der Konzentrierung in grobdisperser Verteilung, das heißt unter Flockenbildung und einem mehr oder weniger schnellen Absetzen der Proteine aus der Lösung ausfallen. Durch die Flockenbildung der denaturierten Molkenproteine sind diese für den Einsatz in der Käserei nicht geeignet, da es zu Veränderungen des Reifungsverlaufes, zur Verschlechterung der Qualität und zur Entwicklung des Bittergeschmacks sowie zur Ausbildung der Stippen im Käse kommt.In all applied methods of whey protein extraction 2um use in the dairy or food industry, the disadvantages occur that the whey proteins after denaturation both before and after concentration in coarse dispersion, ie with flocculation and a more or less rapid settling of the proteins fail the solution. Due to the flocculation of the denatured whey proteins, these are not suitable for use in the dairy, as it leads to changes in the maturation process, deterioration of quality and development of bitter taste and the formation of specks in the cheese.
Des weiteren weisen die Hitzefällungsverfahren für Molkenproteine den Nachteil auf, daß nur 30 bis 70% der Proteine aus der Molke zurückgewonnen werden.Furthermore, the heat-milling processes for whey proteins have the disadvantage that only 30 to 70% of the proteins are recovered from the whey.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel der Erfindung ist es, die bisher für die Lebensmittelindustrie, insbesondere für die Käseherstellung nur unvollkommen verwertbaren Molkenproteine nutzbar zu machen und damit eine Verringerung des Milch- und Labeinsatzes bei gleichzeitiger Verbesserung der Konsistenz des Käses zu erreichen.The aim of the invention is to make available the previously unavailable for the food industry, especially for cheese production whey proteins and thus to achieve a reduction of the milk and Labeinsatzes while improving the consistency of the cheese.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in der Molke vorhandenen Proteine durch eine gezielte thermisch-mechanische Behandlung so zu beeinflussen, daß eine zur Qualitätsverbesserung von Milchprodukten einsetzbare, durch proteolytische Enzyme gezielt abbaubare Suspension entsteht.The object of the invention is to influence the proteins present in the whey by means of a targeted thermal-mechanical treatment in such a way that a suspension which can be used to improve the quality of dairy products and which can be selectively degraded by proteolytic enzymes is produced.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Molkenproteinkonzentratlösung einer turbulenten Strömung mit einer Reynold-Zahl > 2 χ 103und einer Wandschubspannung tw > 12kg/ms2 ausgesetzt und in eine kolloiddisperse, agglomerationsfreie, thermisch stabile Suspension überführt wird.According to the invention the object is achieved in that the whey protein concentrate solution of a turbulent flow having a Reynold number> 2 χ 10 3 and a wall shear stress t w > 12kg / ms 2 exposed and transferred to a colloidally disperse, agglomeration-free, thermally stable suspension.
Bei der Denaturierung der Molkenproteinkonzentrate durch Erhitzen werden Wasserstoffbrückenbildungen und Nebenvalenzbindungen der Helix-Struktur der Molkenproteine aufgespalten und die Polypeptidketten entfaltet. Durch diese Verfahrensweise wird, bedingt durch die Kombination von turbulenter Strömung im Bereich von Reynold-Zahlen > 2 x 103 und Reibungsvektoren, charakterisiert durch die Wandschubspannung x„ > 12kg/ms2, die weitere Aggregation der denaturierten Molkenproteinmoleküle gestört und die Ausbildung der denaturierten Molkenproteinmoleküle gestört und die Ausbildung von SubStrukturen mit einer Teilchengröße von weniger als 10~5μιτ> ausgelöst.Upon denaturation of the whey protein concentrates by heating, hydrogen bonds and minor valence bonds of the helical structure of the whey proteins are broken down and the polypeptide chains are unfolded. By this procedure, due to the combination of turbulent flow in the range of Reynold numbers> 2 x 10 3 and friction vectors, characterized by the wall shear stress x " > 12kg / ms 2 , the further aggregation of denatured whey protein molecules is disturbed and the formation of denatured Were disrupted whey protein molecules and the formation of substructures with a particle size of less than 10 ~ 5 μιτ> triggered.
Die nach diesem Verfahren erhaltene Suspension ist damit kolloiddispers und setzt sich nicht mehr ab. Sie ist in der vorliegenden Form über mehrere Tage stabil.The suspension obtained by this process is thus colloidally disperse and no longer settles. It is stable for several days in its present form.
Durch die thermische und mechanische Behandlung der Molkenproteine erfolgt eine Erhöhung der Viskosität der Lösung von 2 bis6cPauf 8 bis 15cP.The thermal and mechanical treatment of the whey proteins increases the viscosity of the solution from 2 to 6 cP to 8 to 15 cP.
Die so erhaltene Suspension kann direkt oder nach Lagerung der zur Käseherstellung verwendeten Kesselmilch oder einem durch Ultrafiltration gewonnenen Vorkäse zugesetzt werden. Es erweist sich als günstig, der Kesselmilch etwa 5% der Suspension zuzusetzen. Diese Menge enthält die bei der Käseherstellung anfallenden Molkenproteine. Auf Grund der Homogenität der agglomerationsfreien Suspension kann sie der Milch bereits vor dem Separieren und der • Pasteurisation zugesetzt werden. Damit werden Probleme bei der Standardisierung der Milch umgangen. Die Verarbeitung der Milch zu Käse, vorzugsweise Weichkäse, erfolgt nach der üblichen Käsereitechnologie. Die in der Suspension enthaltenen Molkenproteine gehen bei der Käseherstellung in den Käsebruch über, da sie adsorptiv an die Kaseinmicellen gebunden sind. Auf Grund des hohen Wasserbindevermögens der Molkenproteine weisen Käse mit Molkenprotein einen höheren Wassergehalt auf, wodurch eine gegenüber dem Vergleichskäse erhöhte Geschmeidigkeit des Käses erreicht wird. Die Reifung des Käses mit Molkenprotein2usatz entspricht der des Vergleichskäses, es gibt keine geschmacklichen Abweichungen im fertigen Käse. Gegenüber der herkömmlichen Käsereitechnologie kann eine Ausbeutesteigerung von 15 bis 20% erreicht werden.The suspension obtained in this way can be added directly or after storage of the cheese milk used for the production of cheese or a pre-cheese obtained by ultrafiltration. It proves convenient to add about 5% of the slurry to the kettle milk. This amount contains the whey proteins accumulating during cheese production. Due to the homogeneity of the agglomeration-free suspension, it can be added to the milk before it is separated and pasteurized. This avoids problems with the standardization of milk. The processing of the milk into cheese, preferably soft cheese, is carried out according to the usual cheese-making technology. The whey proteins contained in the suspension pass into the curd during cheese production because they are adsorptively bound to the casein micelles. Due to the high water-binding capacity of the whey proteins, cheeses with whey protein have a higher water content, which results in an increased suppleness of the cheese compared to the reference cheese. The ripening of the cheese with whey protein supplement is the same as that of the comparator cheese, there are no variations in the taste of the finished cheese. Compared to conventional cheese-making technology, a yield increase of 15 to 20% can be achieved.
Die gewonnene Milcheiweißsuspension kann wahlweise getrocknet und als Eiweißkonzentratpulver in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.The extracted milk protein suspension can optionally be dried and used as protein concentrate powder in the food industry.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an 2wei Beispielen erläutert.The process according to the invention is explained below in two examples.
100001 Molke der Camembert-Produktion werden nach Abtrennung des Fettes und des Kaseinstaubes durch Ultrafiltration auf etwa 8001 konzentriert. Das gewonnene Konzentrat weist einen Trockenmassegehalt von 18% und einen Eiweißgehalt von 8,5% auf. Dieses Konzentrat wird einer Temperaturbehandlung bei 900C für 6 min unterworfen, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,5m/s, das entspricht einer Re-Zahl von 4500 und einer Wandschubspannung vonxw = 15 kg/ms2, realisiert wird. Nach der Denaturierung wird das Konzentrat schockartig auf 200C abgekühlt.100001 Whey of the Camembert production are concentrated to about 800 l by ultrafiltration after separation of the fat and casein dust. The recovered concentrate has a dry matter content of 18% and a protein content of 8.5%. This concentrate is subjected to a temperature treatment at 90 ° C. for 6 minutes, realizing a flow rate of 1.5 m / s, which corresponds to a Re number of 4500 and a wall shear stress of x w = 15 kg / ms 2 . After denaturation, the concentrate is shock-cooled to 20 0 C.
Das gewonnene Konzentrat, das eine Viskosität von 14cP aufweist, enthält die Molkenproteine in agglomerationsfreiem, kolloiddispersem Zustand.The recovered concentrate, which has a viscosity of 14cP, contains the whey proteins in agglomeration-free, colloidal-disperse state.
Die Suspension wird 18h nach der Herstellung zu 100001 Kesselmilch zugegeben und nach herkömmlicher Technologie zu Camembert verarbeitet.The suspension is added 18 hours after preparation to 100001 Kässmilch and processed according to conventional technology to Camembert.
1 OOOI eines Molkeneiweißkonzentrates mit einem Trockenmassegehalt von 20%, einem Eiweißgehalt von 9,5% bei einem pH-Wert von 4,2 werden 15min bei 85'C durch eine Ultrafiltrations-Trenneinheit mit eirier Geschwindigkeit von 4,0m/s bei einem Druck von 0,4MPa zirkuliert. Bei diesen Bedingungen wird eine Re-Zahl von 5000 und eine Wandschubspannung von t„ = 50kg/ms2 erreicht. Nach dem schockartigen Abkühlen der Lösung auf 15°C ist die Eiweißlösung in eine kolloiddisperse, agglomerationsfreie Suspension überführt. Diese Molkeneiweißsuspension wird 100001 Kesselmilch zugegeben und in bekannter Weise zu Weichkäse verarbeitet.1 OOOl of a whey protein concentrate with a dry matter content of 20%, a protein content of 9.5% at a pH of 4.2 for 15 min at 85'C through an ultrafiltration separation unit with a speed of 4.0 m / s at one pressure of 0.4MPa circulates. Under these conditions, a re-number of 5000 and a wall shear stress of t "= 50kg / ms 2 is achieved. After the shock-like cooling of the solution to 15 ° C, the protein solution is transferred to a colloidally disperse, agglomeration-free suspension. This whey protein suspension is added to 100001 Kesselmilch and processed in a known manner to soft cheese.
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