NL9001650A

NL9001650A - Werkwijze voor de bereiding van een melkeiwit-isolaat.

Info

Publication number: NL9001650A
Application number: NL9001650A
Authority: NL
Original assignee: Ver Coop Melkind
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1992-02-17
Also published as: EP0467482B1; DK0467482T3; DE69101601T2; EP0467482A1; DE69101601D1

Description

Titel: Werkwijze voor de bereiding van een melkeiwit-isolaat.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de bereiding van een melkeiwit-isolaat uit magere melk of uit een mengsel van magere melk en wei of wei-eiwit concentraat.

Melkeiwitten zijn van groot belang. Zij zijn vrijwel onmisbaar bij het samenstellen van een groot aantal voedingsmiddelen, zoals zoetwaren, bakkerijprodukten en vleeswaren, zulks in het bijzonder vanwege hun goede smaak, hoge voedingswaarde alsmede hun gunstige bijdrage aan de textuur van bedoelde voedingsmiddelen. Er zijn voor dit doel geen andere stoffen bekend, die voor wat betreft de eigenschappen, melkeiwitten kunnen evenaren.

Voor verschillende toepassingen zijn diverse melkeiwit-produkten met verschillende samenstellingen bekend, zoals melkpoeders, weipoeders en min of meer gezuiverde tot zeer zuivere melkeiwit-isolaten.

Van de melkeiwit-isolaten zijn de caseïnaten het belangrijkst en in het bijzonder worden deze eiwitten in voedingsmiddelen zoals vleesprodukten, soepen en sauzen als emulgator en stabilisator toegepast.

Het meest békende bereidingsproces voor bedoelde caseïnaten omvat een zure precipitatie van de caseïne-eiwitten bij een pH van 4,6, gevolgd door wassen van het neerslag en herop-lossen van het eiwitcoagulum door pH-verhoging. Door het toepassen van geschikte basen kunnen natrium-, kalium-, ammonium-en calciumcaseïnaat worden bereid.

Bij deze methode, waarbij dus niet wordt verwarmd, blijven de wei-eiwitten opgelost en deze worden dus niet mede gewonnen. Doordat deze eiwitten niet ook worden neergeslagen, ontstaat een eiwitverlies van ongeveer 20%. Er zijn dan ook een aantal processen ontwikkeld, om wei-eiwit samen met de caseïnaten, als zogenaamd totaal-melkeiwitpoeder te winnen.

in de Nederlandse octrooiaanvrage 8204923 wordt een werkwijze beschreven voor de bereiding van zogenaamd totaal-melkeiwitpoeder, welke werkwijze in beginsel niet afwijkt van de bekende voor de bereiding van een zogenaamd coprecipitaat, d.w.z. caseïne samen met de wei-eiwitten. Het aldus verkregen produkt blijkt slecht oplosbaar te zijn, -waardoor dit produkt niet altijd in de praktijk toepasbaar is.

In de literatuur zijn verbeteringen van dit békende proces beschreven (vgl. PCT/US81/01357). Volgens deze voorstellen wordt magere melk bij verhoogde pH verhit en afgekoeld, waarna de pH op een waarde van 4,6 wordt ingesteld en het neerslag, bestaande uit een coprecipitaat van caseïne en wei-eiwit wordt gewonnen. Het aldus verkregen produkt heeft een oplosbaarheid, welke gelijk is aan die van natrium-caseïnaat. Toch kleven aan deze methode ook enige nadelen. Allereerst wordt niet een meeropbrengst aan melkeiwit van 20% verkregen. Het vrijkomend serum bevat na afscheiding van het coagulum nog 0,35% eiwitstikstof, hetgeen overeenkomt, na correctie voor de NPN (non-protein nitrogen) op een verlies van tenminste 5%. Bovendien heeft de oplossing van het verkregen produkt een relatief hoge viscositeit, hetgeen toegeschreven moet worden aan de hoge mate van denaturatie van de wei-eiwitten.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt magere melk of een mengsel van magere melk en wei of weiconcentraat bij een pH tussen 3 en 4 geultrafiltreerd, waarna het reten-taat aan een diafiltratie wordt onderworpen, waarna de pH wordt verhoogd tot een waarde van ongeveer 6,5, bij welke pH verder wordt geultrafiltreerd, totdat een droge-stofgehalte in het retentaat van tenminste 15% en in het bijzonder ongeveer 20% wordt verkregen.

Verrassenderwijze is gebleken, dat door het ultrafil-treren van magere melk beneden het isoeléktrisch punt van de melkeiwitten, zowel de caseïne als de wei-eiwitten bij relatief hoge capaciteit uit de melk of uit het mengsel van melk en wei of weiconcentraat geïsoleerd kunnen worden. Een belangrijk voordeel dat onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding verkregen wordt is, dat bij een pH tussen 3 en 4 de caseïne-eiwitten suboptimaal oplosbaar zijn, waardoor de flux door het membraan, zonder dat verstoppingen optreden, relatief hoog kan blijven. Aldus kan, met die hoge flux, een concentra-tiefaktor van 2,5 worden gehaald. Een extra voordeel wat onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding verkregen wordt is een zeer lage calciumretentie, waardoor een zeer laag calciumgehalte in het produkt verkregen wordt

Opgemerkt wordt, dat toepassing van ultrafiltratie bij lage pH voor het bereiden van melkeiwitprodukten op zichzelf bekend is en beschreven is in het Britse octrooischrift 1.362.502. De beschreven werkwijze beoogt het verbeteren van de reconstitutie-eigenschappen en het voorkomen van smaak-afwijking welke door verhitting en droging van een, op klassieke wijze verkregen eiwitcoagulum optreedt, volgens het beschreven proces wordt een melkprodukt, dat neergeslagen caseïne bevat, door toevoeging van een zékere hoeveelheid van een aangezuurde melkderivaat aangezuurd tot een pH beneden het isoelektrische punt. Door toepassing van ultrafiltratie kan daarbij het eiwitgehalte worden verhoogd. Vervolgens wordt de caseïne in oplossing gebracht, waarna op klassieke wijze wordt gedroogd. Diafiltratie wordt daarbij niet toegepast. Een nadeel van de beschreven methode is, dat voor het heroplossen van de caseïne verhitting van het mengsel nodig is, tenzij de pH een zeer lage waarde heeft. Door deze verhitting ontstaan mogelijkerwijze smaakafwijkingen, zéker wanneer in het mengsel ook wei-eiwitten aanwezig zijn.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding kan door toepassing van de diafiltratie na de eerste ultrafiltratie, welke wordt uitgevoerd bij dezelfde temperatuur en pH als bij de eerste ultrafiltratie, de isolatiegraad worden ingesteld. Voor de verhoging van de pH na de eerste ultrafiltratie wordt uit voedingsoogpunt bij voorkeur KOH gébruikt. De tweede ultrafiltratie wordt bij voorkeur zover voortgezet, tot een drogestofgehalte van 20% verkregen wordt.

Zoals opgemerkt is bij de werkwijze volgens de uitvinding de keuze van de pH-instelling van groot belang, zulks in het bijzonder voor wat betreft de calciumretentie, de viscositeit en de oplosbaarheid van het retentaat alsmede de bacteriologische kwaliteit van de verkregen produkten.

Met betrekking tot de viscositeit wordt opgemerkt, dat deze hoger wordt naarmate de pH wordt verlaagd en tengevolge van deze viscositeitstoename zal de capaciteit van het ultra-filtratieproces afnemen. Ook de oplosbaarheid neemt toe naarmate de pH verder van het isoelektrische punt zal afliggen, tengevolge waarvan eveneens de capaciteit, welke immers omgekeerd gerelateerd is aan de oplosbaarheid van het eiwit, zal afnemen. Een optimale pH in het gebied, waarbij dus de combinatie van de, elkaar ten dele tegenwerkende parameters, optimaal is, is ongeveer 3.

In grafieken 1, 2 en 3 wordt de relatie weergegeven tussen de flux over het membraan en de drukval per trap tijdens de ultrafiltratie van aangezuurde magere melk, bij verschillende pH's. De experimenten werden uitgevoerd met een tweetraps Abcor-systeem. De verschillende flux-waarden hebben betrekking op een continuproces, waarbij magere melk bij een pH van 3, 3,5 en 4 werd geultrafiltreerd. De flux van zowel de eerste als de tweede trap wordt in de grafieken weergegeven bij een concentratiefaktor respectievelijk volumereductie van 2,5 respectievelijk 60%. Uit de gegevens blijkt, dat de gemiddelde flux gedurende een duurproef van 6 uur bij een pH 3 minstens 10% hoger ligt dan bij zowel een pK van 3,5 als een pH van 4,0. In grafiek 4 wordt de invloed van de pH op de capaciteit bij een batchgewijze proces vergeleken. Bij de desbetreffende experimenten werd de membraan-permeabiliteit (flux) van magere melk bij 50°C tijdens het concentreren tot een faktor 2,5 gevolgd. Ook uit deze resultaten blijkt, dat tijdens het concentreren een pH-waarde van ongeveer 3 de meest optimale is.

Een andere belangrijke parameter bij de werkwijze volgens de uitvinding is de temperatuur waarbij de ultrafiltratie wordt toegepast. De keuze van deze temperatuur wordt enerzijds bepaald door het materiaal waaruit het membraan is vervaardigd en anderzijds door de invloed ervan op de produkt- eigenschappen. Voor de meeste membranen geldt een maximaal toelaatbare temperatuur, welke tussen 50 en 60°C ligt. Voor wat betreft de produkteigenschappen geldt, dat tot een temperatuur van 70°C de viscositeit zal af nemen bij verhoging van de temperatuur, doch dat bij een temperatuur van ongeveer 70°C of hoger de wei-eiwitten denatureren, waardoor een toename van de viscositeit ontstaat.

Verder is gebleken, dat in verband met de capaciteit van de werkwijze volgens de uitvinding de verlaging van de pH naar een waarde beneden het isoelektrische punt van caseïne-eiwitten bij voorkeur uitgevoerd moet worden bij lage temperaturen, bij voorkeur bij een temperatuur lager tussen 0 en 5°C. Zoals békend coaguleren de caseïne-eiwitten niet bij temperaturen lager dan 5°C (vgl. Brulé & Lenoir in Cheese making Sci. and Techn. (1987) Ed. A. Eek, blz. 15). Wanneer de pH echter bij een temperatuur van 50°C wordt verlaagd, vlokken de caseïne-eiwitten bij het passeren van het isoelektrische punt (pH ongeveer 4,5) momentaan uit en deze uitvlokking blijkt bij de pH van ultrafiltratie (ongeveer 3) niet aanstonds reversibel. Het gevolg van een dergelijke voorbehandeling is dus een lange oplostijd van het vloksel en/of een lage capaciteit (flux).

Onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding wordt een melkeiwit-isolaat verkregen, waarin de caseïne-eiwitten in de vorm van een caseïnaat en de serumeiwitten in natieve vorm aanwezig zijn. Het aldus verkregen produkt heeft een neutrale smaak en een relatief lage viscositeit. Verder leidt de werkwijze tot een produkt, waarin zowel het lactose-als het calciumgéhalte sterk gereduceerd is, in het bijzonder tot minder dan 2% respectievelijk 0,4%, berekend op de droge-stof. Uit een en ander blijkt, dat aldus een eiwit-isolaat van zeer hoge kwaliteit verkregen wordt.

De werkwijze volgens de uitvinding kan in beginsel als een continuproces worden uitgevoerd. Door een juiste afstemming van de capaciteit van het ultrafiltratieproces bij lage, zowel als bij neutrale pH, kan in één procesgang magere melk worden verwerkt tot een ΊΜΡ-concentraat dat meer dan 90% eiwit, berekend op de droge-stof bevat.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt, tussen de ultrafiltratie bij lage pH en die bij hogere pH, het retentaat onderworpen aan een beperkte proteolytische hydrolyse. Bij voorkeur wordt hiervoor een bij lage pH werkend protease gébruikt, die door verhoging van de pH naar neutrale waarde wordt geinaktiveerd. Daarbij kan de incubatie in de vorm van een heethouder, die wordt geplaatst tussen de lage pH-stap en de neutrale pH-stap worden uitgevoerd. Gebleken is, dat een enzym-contacttijd van ongeveer 15 minuten met een proteolytisch enzym van Aspergillus saitoi, in de handel verkrijgbaar onder de naam Molsin, een melkeiwithydrolisaat oplevert met uitstekende schuimvormende eigenschappen. De uitvinding wordt aan de hand van de volgende voorbeelden nader toegelicht.

Voorbeeld I

1000 kilogram magere melk werden onder roeren bij een temperatuur van 5°C, met behulp van een 5N-zoutzuuroplossing aangezuurd tot een pH-waarde 3. Onder toepassing van een drietraps ultrafiltratie-installatie met Abcor high-flow membranen met afmetingen van respectievelijk 7 m2, 10 m2 en 7.5 m2 werd de melk geconcentreerd. Vervolgens werd de melk, in een continuproces, bij een pH 3 en een temperatuur van 50°C tot een concentratiefactor 2,5 geconcentreerd en vervolgens bij dezelfde pH en temperatuur in een tweede en derde trap, onder toepassing van een dubbele hoeveelheid water (200%), gediaf iltreerd.

Aldus werden 480 kg retentaat verkregen met een drogestofgehalte van 9% en een eiwitgehalte van 6,7%. Dit retentaat werd tweemaal verdund met water en door middel van een loog: injectie (5N-natronloog) werd de pH op een waarde 6,5 ingesteld.

Het verdunde retentaat werd vervolgens, onder toepassing van een drietrapsinstallatie, tot een concentratiefactor 7.5 geconcentreerd bij een temperatuur van 50°C.

Het aldus verkregen retentaat werd vervolgens direkt gesproeidroogd. Het verkregen poeder bezat een eiwitgehalte van meer dan 90%, berekend op de droge-stof, en bevatte naast de caseïne-eiwitten ook de wei-eiwitten in ongedenatureerde vorm.

De beschreven werkwijze kan schematisch als volgt worden weergegeven: 1000 kg magere melk (1) pH 3

400 kg retentaat (2)

verdund 2x met water pH 6.5

480 kg retentaat (3)

152 kg retentaat (4)

30 kg poeder (5)

In de navolgende tabel wordt schematisch de samenstelling van de, tijdens de verschillende fasen van de werkwijze, verkregen produkten weergegeven:

Voorbeeld II

In dit voorbeeld wordt de bereiding van een eiwit-produkt met een hoog schuimvormend vermogen beschreven.

Onder toepassing van een laboratorium ultrafiltratie-opstelling van het merk AMICON, type DH2, met een spiraal-gewonden membraan SI (cut-off = 10.000 dalton) werden 2500 ml voorbehandelde magere melk geconcentreerd.

De pH van de gethemiseerde melk werd bij een temperatuur van 5°C op een waarde van 3 ingesteld, onder toepassing van 4N-zoutzuur. Vervolgens werd de temperatuur batch-gewijze verhoogd naar 50°C, waarna met de genoemde ultrafiltratie-inrichting de melk tot een concentratiefactor 2,5 werd geconcentreerd. Hierna werd het retentaat onderworpen aan een diafiltratiestap waarbij een dubbele hoeveelheid water werd toegepast (200%), bij gelijke pH en temperatuur.

Vervolgens werd aan het retentaat een bij deze pH aktief zijnd protease toegevoegd (het enzympreparaat Molsin, afkomstig van de schimmel Aspergillus saitoi) en na een bepaalde (in het navolgende gespecificeerde) incubatietijd werd het eiwitsplitsend enzym geinaktiveerd door verhoging van de pH naar een waarde 6,5, met behulp van een 4N-natrium-hydroxyde-oplossing.

Vervolgens werd het retentaat/substraat tweemaal verdund met gedeioniseerd water en verder geultrafiltreerd tot een concentratiefactor van 3.

De werkwijze werd herhaald bij verschillende incubatietijden met de protease, d.w.z. van 15, 30, 60 en 130 minuten.

De uiteindelijk verkregen retentaten werden gevriesdroogd, en deze werden vergeleken voor wat betreft hun schuim-vormende eigenschappen.

De mate van hydrolyse werd vastgesteld via een TNBS-methode, onder toepassing waarvan de toename in het aantal verbroken peptide-banden kan worden vastgesteld (percentage DH).

In de navolgende tabel zijn de incubatietijd, percentage DH en de schuimopslag weergegeven.

Claims

1. Werkwijze voor de bereiding van een melkeiwit-isolaat door ultrafiltratie van een, opgeloste melkeiwitten bevattend, melkderivaat, met het kenmerk, dat een niet voorverhitte of ten hoogste laag-gepasteuriseerde magere melk of mengsel van magere melk en een weihoudende oplossing bij een pH tussen 3 en 4 wordt geultrafiltreerd, waarna het retentaat wordt gedia-filtreerd, vervolgens de pH wordt verhoogd tot een waarde welke nagenoeg in het neutrale gebied ligt, bij welke pH verder wordt geultrafiltreerd totdat een droge-stofgehalte in het retentaat van tenminste 15% en in het bijzonder van ongeveer 20% wordt verkregen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste ultrafiltratie bij pH 3 wordt uitgevoerd.

3. Werkwijze volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de tweede ultrafiltratie bij pH 6,5 wordt uitgevoerd.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de ultrafiltratie wordt uitgevoerd bij een temperatuur van ten hoogste 50°C.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de pH-verlaging van de magere melk of van het mengsel van magere melk en een weihoudende oplossing, voorafgaande aan de eerste ultrafiltratie, bij een temperatuur van ten hoogste 5°C plaatsvindt.

6. Werkwijze volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat tussen de ultrafiltratie bij lage pH en de ultrafiltratie bij hogere pH het retentaat aan een enzymatische hydrolyse wordt onderworpen.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de enzymatische hydrolyse gedurende ongeveer 15 minuten met een proteolytisch enzym wordt uitgevoerd.