MÉTODO DE DESABORIZAR PROTEINA DE SUERO DE LECHE USANDO ELECTRODIÁLISIS EN MEMBRANA
Esta invención se refiere generalmente al procesamiento de materiales que contienen proteína de suero de leche para uso en diversos productos alimenticios. De manera mas particular, la invención se refiere a un método de desaborizar materiales de proteína de suero de leche usando electrodiálisis en membrana para ajuste del pH a fin de hacerlos aceptables en una amplia gama de alimentos. Antecedentes En años recientes, las proteína de suero de leche se han tornado ampliamente usadas en productos alimenticios, en su mayor parte por los beneficios para la salud obtenidos de su uso. Por ejemplo, estudios sugieren que las proteínas de suero de leche pueden aportar una variedad de beneficios para la salud tales como actividad anti-hipertensión, mejora del sistema inmune, actividad anti-microbiana, mejora de la salud intestinal, y actividad de higiene oral. En algunas aplicaciones, el sabor de los materiales de proteína de suero de leche no es objetable
(v.gr., cuando se enmascara el sabor del suero de leche) . Sin embargo, en algunos usos, tales como productos análogos a lácteos, bebidas y similares, y especialmente cuando la cantidad de proteína de suero de leche es incrementada a niveles asociados
con tales beneficios para la salud, los sabores encontrados en los materiales de proteína de suero de leche pueden impedir su fácil aceptación por parte del consumidor. De esta manera, a fin de extender los usos de los materiales de proteína de suero de leche, los inventores de la presente deseaban encontrar un método de reducir los componentes de sabor de los materiales de proteína de suero de leche. Sin embargo, no era evidente que los métodos que habían sido usados previamente para remover los componentes de sabor de otros materiales orgánicos fueran exitosos en el tratamiento de materiales de proteína de suero de leche. Los materiales orgánicos, pues tienen composiciones complejas, deben ser probados para determinar si será satisfactorio cualquier método dado para tratarlos . Un ejemplo de métodos previamente empleados para purificar materiales orgánicos es encontrado en la patente US 4,477,480, en la cual se describe que el almidón puede ser tratado con un álcali para remover componentes de sabor objetables. En una patente de la misma cesionaria que la presente, la patente US 4,761,186, se usa ultra-filtración para purificar almidón. En ambos casos, los componentes de sabor son removidos del almidón. La patente ?480 antes mencionada solubiliza los componentes de sabor de modo que puedan ser lavados del almidón relativamente insoluble. La patente ?186 antes mencionada usa ultra-filtración para remover los componentes de sabor como permeado, mientras que el almidón insoluble permanece en una
lechada acuosa. En contraste, la presente invención separa los componentes de sabor de las proteínas de suero de leche solubles, de alto peso molecular. Existen muchos artículos y patentes que se refieren a procesar materiales de soja a fin de recuperar el contenido de proteínas y que al mismo tiempo reducen los compuestos de sabor para hacer mas aceptables las proteínas en productos alimenticios. Sin embargo, estas divulgaciones previas no están dirigidas de manera específica a la remoción de compuestos de saborización y la recuperación de tanta proteína como sea posible. Un ejemplo es la patente US 4,420,425, en la cual componentes de proteína de soja son solubilizados a un pH de 7 a 11, de preferencia alrededor de 8 , y después de ultra-filtración a través de una membrana que tiene un corte de pesos moleculares sobre 70,000, se recuperan las proteínas de soja por medio de secado por rocío. En una variante, solamente una porción de la proteína es solubilizada a valores menores de pH y sometida a ultra-filtración con una membrana que tiene un corte de preferencia sobre 100,000 de peso molecular; se encontró que el producto tenía color y sabor mejorados. Se esperaría que un valor de corte superior daría como resultado una pérdida de valiosas proteínas. En otra patente, la patente US 5,658,714, una lechada de harina de soja es ajustada en pH en el rango de 7 a 10 para solubilizar proteínas, que son entonces pasadas a través de una membrana de ultra-filtración donde se retienen fitato y aluminio
(Al), presumiblemente como sólidos. Aunque el corte de pesos moleculares de la membrana no fue dado, se asume que el tamaño de poro fue grande a fin de poder pasar las proteínas solubles. Ambas patentes contienen extensas discusiones de los esfuerzos de terceros en el procesamiento de materiales de soja; ninguna enseña ni sugiere el control del pH durante el proceso de ultra-filtración. En un grupo de patentes relacionadas, Mead Johnson Company divulgó procesos para solubilizar proteínas de soja elevando el pH de una solución acuosa de materiales de soja y recuperando las proteínas que se dice tienen un sabor insípido. Los procesos están dirigidos principalmente a concentrar proteínas mas que remover compuestos de sabor. En la patente US 3,995,071, se incrementó el pH a 10.1 a 14 (de preferencia 11 a 12) para solubilizar proteínas de soja, después de lo cual se redujo el pH a alrededor de 6 a 10 y la mezcla fue sometida a ultra-filtración con una membrana que tiene un corte de pesos moleculares de 10,000 a 50,000 Daltons; las proteínas fueron retenidas mientras se desecharon carbohidratos y minerales . En la patente US 4,072,670, se puso énfasis en remover fitatos y ácido fítico solubilizando proteínas a un pH de 10.6 a 14 y una temperatura de 10 a 50 °C para hacer insolubles los fitatos y el ácido fítico, luego separarlos, y finalmente acidulando la solución a un pH de alrededor de 4 a 5 para precipitar las proteínas de soja. En la patente US 4,091,120, se solubilizaron
proteínas de soja a un pH menor de 10, de preferencia 7 a 9, y se usó ultra-filtración para separar las proteínas como retenido, mientra se pasan carbohidratos como permeado. Estas patentes no enseñan ni sugieren el control del pH durante el proceso de ultra-filtración. Los inventores de la presente ha descubierto de manera sorprendente que pueden aplicarse ventajosamente procesos relacionados a materiales de proteína de suero de leche para remover componentes de sabor indeseables para obtener un material de proteína de suero de leche desaborizado que puede incorporarse en muchos diferentes productos alimenticios. El aparato de electrodiálisis es descrito en las patentes US 6,537,436; 6,482,305; y 6,402,917. Ninguna de estas patentes describe el uso del tratamiento de electrodiálisis en el procesamiento de materiales de proteína de suero de leche. Compendio De manera amplia, la invención es un proceso para preparar una composición acuosa de suero de leche que tiene una concentración de proteína de suero de leche de alrededor de 1 a alrededor de 50%, que se ajuste en pH usando electrodiálisis en membrana para solubilizar el contenido de proteína de soja y para liberar los compuestos de sabor. Luego se somete la composición a ultra-filtración, mientras se mantiene el control del pH, usando una membrana capaz de retener sustancialmente todo el contenido de proteína del material de proteína de suero de leche
mientra se remueven componentes de sabor como permeado. Como se señaló antes, los inventores de la presente han ahora descubierto de manera sorprendente que un método usado para desaborizar materiales de proteína de suero de lecho y métodos para ajustar el pH usando electrodiálisis en membrana pueden combinarse y usarse para desaborizar materiales de proteína de suero de leche. El presente proceso, como se aplica a proteínas de suero de leche, puede ser corrido bajo condiciones básicas, según se desee, para producir material de proteína de suero de leche desaborizado. Los materiales de proteína de suero de leche desabori-zados preparados mediante los métodos de la presente son idealmente adecuados para uso en bebidas lácteas y no lácteas, batidos, bebidas saludables, productos tipo confitería, barras nutricíonales, análogos de queso, yogures lácteos y no lácteos, carne y productos análogos a la carne, cereales, productos horneados, botanas y similares. La presente invención provee métodos para desaborizar proteínas de suero de leche. En adición a la remoción de sabores desagradables, la presente invención también permite la remoción eficiente de lactosa, con ello permitiendo concentración de las proteínas de suero de leche en niveles altos. Típicamente, la proteína de suero de leche contiene alrededor de 70 a alrededor de 80% (base seca) de lactosa. Generalmente, pueden obtenerse niveles de lactosa menores de alrededor de 15% (base seca) en la
proteína de suero de leche desaborizada. Mediante ultra-filtración/diafiltración extensas (es decir, mas de cinco ciclos de lavado y típicamente en el rango de alrededor de 6 a 7 ciclos de lavado) , el nivel de lactosa puede ser reducido a menos de alrededor de 8% (base seca) . Mas aún, pueden prepararse materiales de proteína de suero de leche desaborizados conteniendo mas de alrededor de 50% de proteína (en una base seca) , y de preferencia alrededor de 65 a alrededor de 95% de proteína; obtener altos niveles de proteína (generalmente mayores de alrededor de 85%) requiere de ultra-filtración/diafiltración extensas. De esta manera, se torna posible incorporar proteína de suero de leche en productos alimenticios convencionales a niveles suficientemente elevados (generalmente suficientes para proveer alrededor de 2.5 a alrededor de 30 g de proteína de suero de leche por tamaño sencillo de ración (generalmente alrededor de 25 a alrededor de 100 g para productos alimenticios sólidos y alrededor de 100 a alrededor de 300 ml para productos alimenticios líquidos) para proveer los beneficios para la salud de la proteína de suero de leche. Antes de esta invención, la incorporación de proteínas de suero de leche en tales niveles daba generalmente como resultado sabores desagradables considerables y, por tanto, muy limitada aceptación por los consumidores. Mas aún, la remoción de lactosa puede permitir el uso de tales productos alimenticios por parte de consumidores intolerantes a la lactosa; generalmente, en tales casos, debe removerse al menos
alrededor de 95% de la lactosa. En un aspecto, la invención es un método de desaborizar los materiales de proteína de suero de leche, que incluye preparar una composición acuosa del material de proteína de suero de leche que contiene compuestos de saborización. El pH de la composición acuosa es ajustado a un rango básico de alrededor de 8.5 a alrededor de 12 con electrodiálisis en membrana o en un rango ácido de alrededor de 2.4 a alrededor de 4 usando electro-diálisis en membrana. El ajuste del pH es efectivo para solubilizar el contenido de proteína del material de proteína de suero de leche y para liberar los componentes de sabor. La composición ajustada en pH es entonces pasada adyacente a una membrana de ultra-filtración que tiene poros que proveen un corte de pesos moleculares de hasta 50,000 Daltons, mientras se mantiene el pH en el mismo rango en que se ajustó la composición acuosa, de esta manera conservando sustáncialmente todo el contenido de proteína de suero de leche, mientras pasan a través de los poros los compuestos que producen sabores . Después de la remoción de los sabores desagradables, el pH de la solución de proteína desaborizada es ajustado al pH final deseado por electrodiálisis en membrana. En otro aspecto (en la presente llamado el "modo básico de operación"), la invención incluye ajustar el pH al rango de alrededor de 8 a alrededor de 12 con electrodiálisis en membrana. El pH puede ser mantenido en este rango con electrodiálisis en
membrana y/o usando un álcali tal como hidróxidos de sodio, potasio o calcio para mantener la solubilidad del contenido de proteína de suero de leche y liberar los compuestos de sabor, haciendo posible separar tales compuestos por medio de ultra-filtración. De manera importante, el pH en este modo básico de operación es también controlado dentro del rango de alrededor de 8 a alrededor de 12 durante el proceso de ultra-filtración. Siguiendo la remoción de los sabores desagradables, el pH de la solución de proteína desaborizada es ajustado al pH final deseado mediante electrodiálisis en membrana. Las proteínas nativas de suero de leche (es decir, desnaturalizadas) son generalmente solubles en un amplio rango de valores de pH. La desnaturalización de tal proteína, como ocurre a menudo durante el procesamiento (v.gr. , elaboración de queso, pasteurización, temperatura elevada, ultra-filtración y similares) da como resultado solubilidad reducida (especialmente alrededor del punto isoeléctrico de alrededor de 5.2) . Ajustar el pH final de la proteína de suero de leche desnaturalizada en esencialmente el mismo rango que su uso final en un producto alimenticio permite la conservación de solubilidad deseada. Usando una proteína de suero de leche desaborizada, tal que el ajuste de pH final sea neutro (pH 6.5-8.0) en un producto alimenticio neutro o básico, y usando una proteína de suero de leche desaborizada tal que el ajuste de pH final sea ácido (por debajo de pH 6.5) pero por encima del punto isoeléctrico en
productos alimenticios ácidos, evita modificar el pH de la proteína de suero de leche desaborizada (y potencialmente pasándolo a través de su punto isoeléctrico) y con ello proveer solubilidad máxima en el producto alimenticio. En una forma de realización, la invención es un método para desaborizar materiales de proteína de suero - de leche en un proceso continuo donde se pasa una mezcla acuosa ajustada en pH de materiales de proteína de suero de leche adyacente a una membrana de ultra-filtración para separar los componentes de sabor. El pH es mantenido a alrededor de 8.5 a alrededor de 12 para el modo básico de operación durante la ultra-filtración con electrodiálisis en membrana y/o por adición de la cantidad apropiada de un material apropiado que altere el pH (es decir, una base) . El permeado que contiene componentes de sabor, • lactosa, minerales y agua, es pasado adyacente a una membrana de osmosis inversa para deshidratar el permeado y el agua separada puede reciclarse para unirse al retenido reciclado y materiales de suero de leche frescos ajustados en pH. Una porción del retenido es removida continuamente y los materiales de proteína de suero de leche desaborizados son recuperados. En una forma de realización preferida, la invención es un método para desaborizar materiales de proteína de suero de leche en .un proceso por lotes o semi-continuo donde una mezcla acuosa de materiales de proteína de suero de leche ajustada en pH es pasada adyacente a una membrana de ultra-filtración, el
permeado es separado para recuperación de los componentes de sabor, y el retenido puede ser reciclado para unirse a materiales de proteína de suero de leche frescos, ajustados en pH. Se añade agua periódica o continuamente para reemplazar el agua perdida al permeado y para ajustar la concentración de materiales de suero de leche en la corriente combinada a un nivel predeterminado. El retenido reciclado y/o el agua añadida pueden someterse a electrodiálisis en membrana, y/o un material que altera el pH (v.gr., una base o un ácido) puede añadirse al retenido reciclado o el agua añadida para controlar el pH al rango deseado durante el proceso de ultra-filtración. El proceso es continuado hasta que esencialmente se han removido todos los compuestos de sabor. Si se desea, el proceso puede también continuar hasta que se ha logrado suficientes niveles de remoción de lactosa; tales materiales de lactosa reducidos pueden ser usados en productos alimenticios dirigidos a individuos intolerantes a la lactosa. Siguiendo la remoción de los sabores desagradables, el pH de la solución de proteína desaborizada es ajustado al pH final deseado por medio de electrodiálisis en membrana. En otra forma de realización preferida, la presente invención provee un método para preparar material de proteína de suero de leche desaborizado, dicho método comprendiendo: (a) preparar una composición acuosa de un material de proteína de suero de leche que contiene proteínas de suero de leche solubles y compuestos de saborización;
(b) ajustar la composición acuosa de (a) a un pH básico en el rango de alrededor de 8.0 a alrededor de 12 con electrodiálisis en membrana; (c) hacer pasar la composición acuosa de (b) adyacente a una membrana de ultra-filtración teniendo un corte de pesos moleculares de hasta alrededor de 50,000 Daltons, mientras se mantiene el pH en el mismo rango ajustado en el paso (b) , bajo condiciones de ultra-filtración adecuadas donde los compuestos de sabor pasan a través de la membrana, con ello desaborizando el material de proteína de suero de leche y reteniendo sustancialmente todas las proteínas de suero de leche solubles; (d) ajustar el pH de la composición acuosa al pH deseado usando electrodiálisis en membrana, y (e) recuperar las proteínas de suero de leche solubles retenidas por la membrana de ultra-filtración para obtener el material de proteína de suero de leche desaborizado. Generalmente se prefiere que cualesquiera materiales insolubles sean removidos de la composición de proteína de suero de leche antes del paso de ultra-filtración, a fin de minimizar la obstrucción de la membrana de ultra-filtración. El retiro de tales materiales insolubles (que pueden incluir, por ejemplo, partículas finas de queso, glóbulos de grasa y agregados de caseína usando suero de leche derivado de un proceso para elaborar queso) puede llevarse a cabo en cualquier momento antes del paso de ultra-filtración, incluyendo antes de preparar la solución acuosa
inicial del paso (a) . La membrana de ultra-filtración usada en el método de la invención tendrá un corte de pesos moleculares de hasta 50,000 Daltons, de preferencia 1,000 a 50,000 Daltons, con la mayor preferencia alrededor de 5,000 a 10,000. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es un diagrama de bloques de una forma de realización de la invención. La figura 2 es un ejemplo de un sistema de electrodiá-lisis en membrana para incrementar el pH. La figura 3 es otro ejemplo de un sistema de electro-diálisis en membrana para incrementar el pH. La figura 4 es un ejemplo de un sistema de electrodiálisis en membrana para reducir el pH. La figura 5 es otro ejemplo de un sistema de electro-diálisis en membrana para reducir el pH. Descripción Detallada Materiales de Proteína de Suero de Leche. Las proteínas de suero de leche tienen un alto valor nutritivo para los seres humanos. De hecho, la composición de aminoácidos de tales proteínas de suero de leche está cerca de un perfil ideal de composición para la nutrición humana. Desafortunadamente, el uso de tales proteínas de suero de leche en las composiciones alimenticios ha sido limitado debido a olores y/o sabores indeseables así como otros problemas organolépticos asociados con
las proteínas de suero de leche. Los materiales de proteína de suero de leche normales generalmente tienen sabores de lactosa, lechosos y animales significativos que pueden impactar los perfiles de sabor de los productos alimenticios, especialmente productos alimenticios de otra manera insípidos. Los sabores desagradables en los materiales de proteína de suero de leche son generalmente atribuidos a la oxidación de lípidos de ácidos grasos insaturados durante, o después, del proceso de elaboración de queso y/o las reacciones de coloración de Maillard. La oxidación de lípidos puede dar como resultado la formación de aldehidos, cetonas, esteres y alcoholes volátiles, que parecen contribuir a un sabor similar a cartón. Típicamente, los materiales de proteína de suero de leche contribuyen, o aportan, sabores desagradables descritos como de cartón, mohosos, metálicos, agrios, cocidos, astringentes y de diacetilo; ver, por ejemplo, Laye y colaboradores, Milchwissenschaft , 50, 268-272 (1995); Carunchia hetstine y colaboradores, J. Diary Sci., 86, 439-448 (2003) . Los inventores de la presente han encontrado que defectos normalmente asociados co proteínas de suero pueden ser reducidos de manera significativa, y en algunos casos eliminados, usando el proceso de esta invención. La proteína de suero de leche desaborizada, como se produce por la presente invención, puede usarse en una amplia variedad de productos alimenticios, y a niveles superiores que los que han sido posibles antes, con
ello proporcionando productos alimenticios nutricionalmente superiores. Las proteínas de suero de leche desaborizadas pueden ser preparadas, por ejemplo, a partir de suero de leche obtenido de procesos convencionales para elaborar quesos, aislados de proteína de suero de leche, concentrados de proteína de suero de leche, y similares. Ajuste del pH Usando Electrodiálisis en Membrana. La electrodiálisis en membrana es usada para ajustar el pH de los materiales de proteína de suero de leche. El uso de electrodiá-lisis en membrana provee un método para ajustar el pH sin la adición de ácido o base. Como tal, las sales y precipitados que pueden formarse con la adición de ácidos y bases no son formados y su remoción no es requerida. Mas aún, se evitan cambios en las propiedades organolépticas asociadas con la adición de ya sea ácidos o bases. Como se muestra en las figuras 2 a 5, la electrodiálisis en membrana puede ser conducida usando una membrana bipolar y membranas catiónicas. Las membranas están dispuestas entre un cátodo y un ánodo y sometidas a un campo eléctrico. Las membranas forman compartimientos separados y los materiales que fluyen a través de esos compartimientos pueden ser recolectados por separado. Un ejemplo de un aparato de electrodiálisis que contienen membranas selectivas a iones es el EUR6 (disponible de Eurodia Industrie, de Wissous, Francia) . Membranas adecuadas están disponibles de Tokuyama (Japón) . Una membrana bipolar
incluye una membrana catiónica y una membrana aniónica unidas juntas. Desde luego, pueden usarse otros aparatos y membranas. De acuerdo con un aspecto, una mezcla acuosa de material de proteína de suero de leche es puesto en contacto con las membranas selectivas a iones. Los materiales acuosos pueden ser procesados en un modo por lotes, un modo semi-continuo, o un modo continuo haciendo fluir una solución acuosa sobre las membranas selectivas a iones. Cuando se usa procesamiento por lotes, semi-continuo o continuo, se aplica un potencial eléctrico a través del ánodo y el cátodo por un tiempo efectivo para proveer a la composición el pH deseado. Los tiempos de procesamiento en un modo por lotes y las tasas de flujo en un modo semicontinuo o un modo continuo son una función del número de membranas selectivas a iones y el potencial eléctrico aplicado. Por ende, la composición resultante puede ser monitoreada y procesada adicionalmente hasta que se alcanza un pH deseado. Se proveen en los dibujos configuraciones de membrana alternativas. Se esperan otras variaciones en la configuración de membranas para alcanzar los mismos resultados. Como se muestra en las figuras 2 y 3 , el pH de los materiales de proteína de suero de leche puede ajustarse a un rango de pH de alrededor de 8.0 a alrededor de 12 , poniendo en contacto la solución acuosa con al menos una, de preferencia una pluralidad de membranas bipolares que incluyen membranas aniónicas en ambos lados de la membrana bipolar. Los materiales
de los compartimientos a la derecha de las membranas bipolares son recolectados para uso subsecuente. Los materiales recolectados de los compartimientos a la izquierda de las membranas bipolares pueden ser recirculados de regreso a través de las membranas o circulados a una segunda electrodiálisis en membrana tantas veces como se necesite para proveer una solución acuosa que tiene un pH de alrededor de 8.0 a alrededor de 12. Los materiales de los compartimientos a la derecha de las membranas bipolares pueden ser recirculados de vuelta a través de las membranas. Los materiales de los compartimientos adyacentes al ánodo y el cátodo pueden ser- recirculados a través de las membranas . Como se muestra en las figuras 4 y 5, el pH de los materiales de proteína de suero de leche desaborizados pueden ajustarse a un rango de pH neutro o ácido poniendo en contacto la solución acuosa con al menos una, de preferencia una pluralidad de membranas bipolares que incluyen membranas catiónicas en ambos lados de la membrana bipolar. Los materiales de los compartimientos a la izquierda de las membranas bipolares son recolecta-dos para uso subsecuente. Los materiales recolectados de los compartimientos a la derecha de las membranas bipolares pueden ser recirculados de regreso a través de las membranas o circulados a una segunda electrodiálisis en membrana tantas veces como sea necesario para proveer una solución acuosa teniendo el pH deseado final . Los materiales de los compartimientos a la
izquierda de las membranas bipolares pueden ser recirculados de regreso a través de las membranas . Los materiales de los compartimientos adyacentes al ánodo y el cátodo pueden ser recirculados de regreso a través de las membranas. Como se muestra adicionalmente en la figura 1, la solución acuosa ajustada en pH es entonces tratada para remover materiales insolubles. Puede usarse cualquier técnica convencional (v.gr., filtración, decantación, centrifugación y similares) . De preferencia, el material insoluble es removido por centrifúgación. Las unidades de centrifugación continua, comerciales, disponibles, están idealmente adaptadas para esta separación en una operación tipo semi-lotes o continua. En una forma de realización preferida, la composición acuosa ajustada en pH es sometida a la técnica de remoción (v.gr., centrifugación) al menos dos veces a fin de facilitar la remoción mas completa de los materiales insolubles . Membranas de Ultra-Filtración. En la presente invención, se usa ultra-filtración para remover compuestos de sabor de materiales de proteína de suero de leche. De manera importante, el pH del material de proteína de suero de leche debe mantenerse en el rango de alrededor de 8 a alrededor de 12 durante el proceso de ultra-filtración circulando materiales de regreso a través del aparato de electrodiálisis en membrana y/o por adición de un ácido o una base. La ultra-filtración es destinada a remover partículas teniendo un tamaño de entre 10 y
1,000 Angstróms (0.001 a 0.1 µm) , correspondientes generalmente a partículas que tienen un peso molecular entre 10,000 y 1,000,000, y que pueden también verse afectados por la forma de tales partículas de alto peso molecular. Las proteínas de suero de leche tienen un rango molecular de entre alrededor de 14,000 y 100,000. Un típico análisis de proteínas de suero de leche es provisto en la tabla siguiente:
Puede seleccionarse una membrana que sea capaz de pasar todas las proteínas de suero de leche o solamente una porción seleccionada. En la presente invención, las proteínas de suero de leche son retenidas por la membrana de ultra-filtración bajo las condiciones de operación seleccionadas, mientras que los compuestos de sabor de peso molecular inferior pasan a través de la membrana y son separados, de esta manera mejorando el color y el sabor de las proteínas de suero de leche retenidas y los sólidos asociados. Una membrana de ultra-filtración de polímeros puede ser definida como una capa anisótropa (no uniforme) . Una cara es una
epidermis que contiene poros que determinan el tamaño de las moléculas que pueden pasar a través de la membrana. Sosteniendo la epidermis superficial está una estructura esponjosa que se I extiende a la cara opuesta. Tales membranas son hechas comúnmen-te por coagulación de polímeros en un baño acuoso. Polímeros típicos que son usados incluyen polisulfonas, esteres de celulosa, poli (fluoruro de vinileno) , poli (óxido de dimetilfeni-leno) , poli (acrilonitrilo) , que pueden forjarse en membranas. A menudo, las membranas son formadas en tubos huecos que son ensamblados en haces, a través de los cuales es pasada la solución por filtrarse. De manera alternativa, pueden usarse diseños de hojas y espirales de membranas planas. En la práctica comercial, se aplica presión para facilitar el movimiento de los compuestos de menor peso molecular a través de la membrana. La membrana debe ser capaz de soportar las presiones usadas, haciendo importante que la estructura de soporte esponjosa sea uniforme para evitar romper la epidermis superficial y sobrepasar la membrana. En adición a las membranas poliméricas que se acaban de describir, se han usado otros materiales para hacer membranas de ultra-filtración, tales como materiales cerámicos, metales sinterizados, y otros materiales inorgánicos. La presente invención no está limitada a ningún tipo particular de membrana. En general, la membrana debe ser capaz de pasar los compuestos de sabor, que se cree tienen pesos moleculares menores de 1,000
Daltons. De manera mas importante, las membranas deben ser capaces de retener sustancialmente todas las proteínas de suero de leche solubilizadas . De esa manera, la membrana de la invención tendrá un corte de pesos moleculares de hasta alrededor de 50,000 Daltons, de preferencia alrededor de 1,000 a 50,000 Daltons, con mayor preferencia 5,000 a 30,000 Daltons. Proceso . El proceso de la invención incluye los pasos siguientes : (1) Preparar una mezcla acuosa del material de proteína de suero de leche . Todos los tipos de materiales de proteína de suero de leche son considerados ser fuentes potenciales de proteína de suero de leche para uso en la presente invención y finalmente para uso en productos alimenticios. De esta manera, por ejemplo, materiales de proteína de suero de leche adecuados incluyen suero de leche obtenido de procesos convencionales de elaboración de queso natural y queso fresco (convencionalmente conocido como suero de leche dulce y suero de leche ácido, respectivamente) , aislado de proteína de suero de leche, concentrado de proteína de suero de leche, y similares. De esta manera, los materiales de proteína de suero de leche que contienen proteínas de suero de leche son provistos en o combinados con una mezcla acuosa, generalmente una lechada de sólidos de proteína de suero de leche. El contenido de proteína es necesario para productos alimenticios, pero como se discutió antes, se cree que contiene compuestos de sabor que deben ser
liberados a fin de que puedan ser separados. La separación de los compuestos de sabor es llevada a cabo en una mezcla acuosa en la cual se disuelven tanto las proteínas como los compuestos de sabor. La concentración de los materiales de proteína de suero de leche en la mezcla acuosa estará en el rango de alrededor de 1 a alrededor de 50%. Generalmente, la concentración de los materiales de proteína de suero de leche después del ajuste del pH cambiará durante el paso de ultra-filtración subsecuente al removerse agua con el permeado . El agua será reemplazada ya sea periódica o continuamente. Por ejemplo, en diafiltración se añade agua para diluir gradualmente las proteínas retenidas en un proceso por lotes o semi-continuo. En casos donde el material original de proteína de suero de leche es una solución acuosa (v.gr., suero de leche de un proceso de elaboración de queso) , el material puede ser usado tal cual, o puede añadirse o removerse agua según se desee para formar la mezcla acuosa. Para materiales secos de suero de leche
(v.gr., aislado de proteína de suero de leche, concentrado de proteína de suero de leche, y similares) , por supuesto, necesita-rá añadirse agua para formar la mezcla acuosa. (2) Para el modo básico de operación, se ha encontrado que se necesita un pH de alrededor de 8.0 o superior para mantener la solubilidad de las proteínas de suero de leche durante la ultra-filtración, mientras que un pH mayor de alrededor de 12 posiblemente ocasionará degradación indeseable de
las proteínas. El pH puede ser ajustado o mantenido usando solamente electrodiálisis en membrana o en combinación con ácido o base. Aunque en teoría podría usarse cualquier base, se prefieren hidróxido de sodio o de potasio, particularmente hidróxido de potasio. Otras bases que pueden tener aplicación incluyen hidróxidos de calcio, magnesio y amonio. Antes de proseguir al siguiente paso, el material de proteína de suero de leche puede ser tratado para remover cualesquiera materiales insolubles en agua que puedan estar presentes. Los materiales insolubles en agua que pueden estar presentes pueden ser removidos de la composición acuosa ajustada en pH usando al menos un paso de centrifugación o usando al menos un paso de clarificación. (3) Pasar la mezcla ajustada en pH, mientras se mantiene el pH, adyacente a una membrana de ultra-filtración que tiene un corte de pesos moleculares de hasta alrededor de 50,000 Daltons, remover los compuestos de saborización como permeado, ajustar la solución de proteína desaborizada al pH deseado, y remover la proteína de suero de leche remanente y otros materia-les de suero de leche como retenido. En este aspecto de la invención, sustancialmente todas las proteínas de suero de leche solubles son retenidas por la membrana de ultra-filtración. Como se usa en la presente, el término "sustancialmente todas" significa que al menos alrededor de 80% de las proteínas iniciales son retenidas por la membrana de ultra-filtración, de
preferencia alrededor de 85 a alrededor de 98% de las proteínas son retenidas . Se cree que mantener la solubilidad de las proteínas de suero de leche durante la ultra-filtración permite a los compuestos de sabor permanecer en una forma en que pueden ser removidos; si las proteínas de suero de leche se desnaturalizan durante la ultra-filtración, los compuestos de sabor pueden tornarse ligados con o encapsulados por las proteínas de suero de leche, con ello impidiendo o reduciendo la efectividad de su remoción. Los compuestos de sabor, que tienen peso molecular relativamente bajo en comparación con las proteínas de suero de leche, son capaces de pasar a través de los poros de la membrana de ultra-filtración, mientras que sustancialmente todas las proteínas de suero de leche solubilizadas son demasiado grandes y son retenidas. De manera importante, debe mantenerse el pH dentro de los rangos que se acaban de describir (es decir, alrededor de 8.0 a alrededor de 12) durante el proceso de ultra-filtración/diafiltración para permitir que se remuevan tantos compuestos de sabor como sea posible. El tercer paso puede llevarse a cabo en una manera por lotes. Sin embargo, en aplicaciones comerciales del proceso de la invención, la mezcla acuosa ajustada en pH sería circulada de manera continua adyacente a una membrana de ultra-filtración. Como el agua y los compuestos de sabor pasan a través de la membrana como permeado y son desechados, puede añadirse agua
adicional para mantener la concentración deseada de los materiales de proteína de suero de leche, lo que tenderá a cambiar el pH de la mezcla acuosa. Esta agua puede ser aumentada deshidratando el permeado y reciclando el agua recuperada a la corriente de alimentación. El pH del agua puede ser ajustado usando electro-diálisis en membrana. Un material que modifica el pH (v.gr., una base o un ácido, según sea apropiado) puede también añadirse como sea necesario para controlar el pH en el rango deseado (es decir, alrededor de 8.0 a alrededor de 12) directamente a la solución de ultra-filtración, a cualquier material acuoso reciclado, o al agua de uso, según se desee. (4) Neutralizar el retenido y recuperar las proteínas de suero de leche . Después de la remoción de los compuestos de sabor (es decir, después de completar el proceso de ultra-filtración) , puede lograrse neutralización adicional de la solución filtrada retirando el producto y sometiendo la solución a electrodiálisis en membrana y/o añadiendo un ácido o una base, según se requiera, para alcanzar el pH deseado. Después del ajuste del pH, la mezcla acuosa de proteínas de suero de leche y otros materiales puede ser usada directamente en productos alimenticios, o puede concentrarse o secarse según se requiera para el uso pretendido. De preferencia, tal neutralización no ocasiona que pase la solución a través del punto isoeléctrico de la proteína de suero de leche.
Un proceso para desaborizar materiales de proteína de suero de leche por ultra-filtración puede ser operado en diversas maneras. El pH durante el proceso de ultra-filtración/diafiltración es mantenido en el rango deseado (es decir, alrededor de 8.0 a alrededor de 12, y de preferencia alrededor de 9.5 a alrededor de 10.5). Se describirán diversos métodos: 1) procesamiento continuo; 2) procesamiento por lotes; y 3) procesamiento semi-continuo . Se espera que los procesos comerciales adopten una operación por lotes o semi-continua, que debe estar mejor adaptada a la producción de productos de proteína de suero de leche de grado alimenticio. Un proceso continuo es mostrado generalmente en la figura 1. En un proceso continuo, una mezcla acuosa de materiales de proteína de suero de leche es ajustada en pH con electrodiálisis en membrana para solubilizar las proteínas de suero de leche y liberar los compuestos de sabor y luego es pasada adyacente a una membrana de ultra-filtración, que permite el paso de materiales de sabor de menor peso molecular a través de sus poros junto con agua (el permeado), dejando los materiales de proteína de suero de leche de mayor peso molecular (el retenido) para ser recirculados. Una porción del retenido será retirada como producto desaborizado, del cual pueden recuperarse los materiales de proteína de suero de leche como se necesita para el uso final pretendido. Se
" añadirá agua para reemplazar la perdida en el permeado y para proveer una concentración constante de materiales de proteína de
suero de leche en la corriente de alimentación suministrada a la membrana de ultra-filtración. Aunque no es esencial para el proceso, el proceso de la figura 1 incluye procesamiento adicional del permeado para recuperar una porción del agua usando una membrana de osmosis inversa para reciclar y unirse al retenido y materiales frescos de proteína de suero de leche. La ventaja de tal paso estriba en reducir la cantidad de agua fresca que debe añadirse al proceso y removerse al concentrar el permeado. Desde luego, el pH de los materiales de proteína de suero de leche puede mantenerse dentro del rango deseado con electrodiálisis en membrana y/o mediante la adición apropiada de una base o un ácido, según sea apropiado, al agua reciclada o fresca añadida al proceso o por electrodiálisis en membrana y/o adición directa de una base o un ácido, según se desee. En un proceso por lotes, un lote de material de proteína de suero de leche en una mezcla acuosa es colocado en un recipiente, ajustado en pH por electrodiálisis en membrana, y alimentado a una membrana de ultra-filtración. El permeado es separado y el retenido es regresado al recipiente . Al proseguir el proceso, el material de proteína de suero de leche es agotado en compuestos de sabor de peso molecular inferior y agua y se torna mas concentrado en las proteínas de suero de leche deseables. De manera periódica, se añade agua al retenido para diluirlo y proveer un portador para los compuestos de sabor que son pasados a través de la membrana. En un proceso semi-continuo
se añade continuamente agua a la tasa a que está siendo removida en el permeado. El proceso es continuado hasta que todos los compuestos de sabor han sido removidos y el retenido está suficientemente desaborizado para tornarse producto, el cual puede ser procesado adicionalmente según se requiera para el uso final ulterior. Un proceso por lotes o semi-continuo puede también incluir la concentración del permeado, con reciclo de agua separada en una manera similar a la mostrada en la figura 1. El pH durante el proceso de ultra-filtración/diafiltra-ción es mantenido en el rango deseado (es decir, alrededor de 8.0 a alrededor de 12 , y de preferencia alrededor de 9.5 a alrededor de 10.5). El pH puede ser ajustado con electrodiálisis en membrana o con adición de un ácido o una base. La membrana de ultra-filtración será operada con un diferencial de presión a través de la membrana, que ayuda a la migración de los compuestos de sabor, el agua y otros materiales que son capaces de pasar a través de los poros de la membrana, sin exceder la resistencia física de la membrana. La presión trans-membrana (entrada versus salida) será de alrededor de 20 a alrededor de 60 psi (1.406 a 4.218 kg/cm2) . Desde luego, estas presiones pueden ser variadas con base en las especificaciones de la membrana y otros aspectos operativos. La tasa de flujo de la corriente de alimentación aportará suficiente tiempo de residencia para remoción considerable del permeado, pero también será suficientemente elevada para aportar turbulencia de modo que el
acceso de la corriente de alimentación a los poros de la membrana no sea impedido por depósitos de sólidos sobre las paredes de la membrana. En un aspecto importante, la corriente de alimentación puede ser pre-filtrada antes de la ultra-filtración para minimizar el taponamiento de la membrana de ultra-filtración. Un técnico en la materia comprenderá que los parámetros de operación adecuados serán determinados por la experiencia con los materiales que estén siendo separados . En una forma de realización preferida (es decir, el modo básico de operación) , la presente invención provee un método para preparar material de proteína de suero de leche desaboriza-do, dicho método comprendiendo: (a) proveer una composición acuosa de un material de proteína de suero de leche que contiene proteínas de suero de leche solubles, compuestos de sabor, y materiales insolubles; (b) solubilizar las proteínas de suero de leche ajustando la composición acuosa de (a) a un pH en el rango de alrededor de 8.0 a alrededor de 12 y liberar los compuestos de sabor; (c) remover los materiales insolubles de la composición acuosa ajustada en pH de (b) para obtener una composición acuosa tratada; (d) hacer pasar la composición acuosa tratada de (c) adyacente a una membrana de ultra-filtración teniendo un corte de pesos moleculares de hasta alrededor de 50,000 Daltons, mientras se mantiene el pH en el rango de alrededor de 8.0 a alrededor de 12, bajo condiciones adecuadas de ultra-filtración, donde los compuestos de sabor pasan a través de la membrana, con ello
desaborizando el material de proteína de suero de leche y reteniendo sustancialmente todas las proteínas de suero de leche solubilizadas; (e) ajustar el pH de la composición acuosa desaborizada de (d) al pH deseada mediante electrodiálisis en membrana; y (f) recuperar las proteínas de suero de leche solubilizadas retenidas por la membrana de ultra-filtración para obtener el material de proteína de suero de leche desaborizado. Productos de Proteína de Suero de Leche Desaborizados . La solución de proteína de suero de leche desaborizada puede ser usada directamente o puede convertirse en una forma sólida, si se desea. Puede usarse cualquier técnica convencional para remover agua. Generalmente, se prefieren técnicas de secado por rocío o por conge1amiento . Los materiales de proteína de suero de leche desabori-zados preparados por medio de los métodos de la presente están idealmente adaptados para uso en bebidas lácteas y no lácteas, batidos, bebidas saludables, quesos, análogos a queso, yogures lácteos y no lácteos, carne y productos análogos a carne, cereales, productos horneados, botanas, y similares. Generalmen-te, tales productos alimenticios pueden contener hasta alrededor de 40% de proteínas de suero de leche desaborizadas sin impactar de manera significativa las propiedades organolépticas. Con mayor preferencia, tales productos alimenticios contienen alrededor de 10 a alrededor de 30% de proteínas de suero de leche desaborizadas. Usando la proteína de suero de leche desaborizada
de esta invención es ahora posible incorporar proteína de suero de leche en productos alimenticios convencionales a niveles suficientemente elevados (generalmente suficientes para aportar alrededor de 2.5 a alrededor de 30 g de proteína de suero de leche por tamaño de porción individual (generalmente alrededor de 25 a alrededor de 100 g de productos alimenticios sólidos y alrededor de 100 a alrededor de 300 ml para productos alimenticios líquidos) ) para aportar los beneficios para la salud de la proteína de suero de leche. Antes de esta invención, la incorporación de proteínas de suero de leche a tales niveles generalmente dio como resultado sabores desagradables considerables y, por tanto, aceptación únicamente muy limitada por parte de los consumidores .