NO167157B - Fremgangsmaate for kromatografisk separering av laktose fra melk. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for kromatografisk separering av lactose fra melk, sam omfatter konsentrering av melken, føring av melken gjennon en kolonne med kationbytterharpiks og eluering av kolonnen med demineralisert vann for oppnåelse av en proteinholdig og en lactoseholdig fraksjon.

Et vesentlig prosesstrinn ved fremstilling av ost, kvark og melkeproteinpulver er separering av melkens hoved-komponenter fra hverandre, dvs. separering av fett og protein, eller i fettfrie produkter bare protein fra lactose. Tradisjonelt er dette blitt utført ved hjelp av utfelling

av kasein eller en kasein-fettblanding med et løypeenzym, eller ved regulering av pH<+> med syre til de isoelektriske punkt (pH ca. 4,5). Foruten lactose og salter forblir myseproteinene normalt i løsningen, dvs. mysen.

For å forbedre proteinutbyttet er mange fremgangsmåter blitt utviklet. Ved hjelp av varmebehandling eller tilsetning av kalsium er det mulig å få myseproteinene til å utfelles med kaseinet. Herved forblir utover lactose og salter bare lavimolekylære nitrogenforbindelser i oppløsningsdelen. Ut-nyttelse av en slik proteinløs myse er meget vanskelig.

Nye metoder er blitt utviklet ved siden av utfellings-metoden. I begynnelsen av 1970-tallet trodde man at gelfiltrering tilbyr en tilfredsstillende teknisk løsning for utvin-ning av melkeproteiner i oppløselig form (US patentskrift nr. 3 547 900). Ved gelfiltrering erholdes melkens protein-fraksjon separat fra melkens lactose og salter. Gelmaterialets kostbarhet, vanskelige behandling og hygieniske problemer har imidlertid forhindret industriell anvendelse av fremgangsmåten .

Også ultrafiltrering er blitt kraftig utviklet i løpet av 1970-tallet og er blitt utnyttet industrielt spesielt ved fremstilling av feta-ost, kvark og myseproteinpulver. Det største hinderet for generell anvendelse av ultrafiltreringen har vært vanskeligheten med å utnytte produktet permeat. Permeat inneholder komponenter som har passert gjennom ultra-filtreringsmembranen, lactose, saltene og lavmolekylære nitrogenforbindelser. En annet problem i forbindelse med ultrafiltrering er at det er meget vanskelig og dyrt å oppnå et høyt proteininnhold (over 80% av tørrsubstansen).

Det er nå overraskende konstatert at melken ved hjelp av kromatografisk separering kan fraksjoneres slik at lactose fåes som en ren separat fraksjon, og saltene forblir i protein- eller proteinfettfraksjonen. På denne måte tilveie-bringes lett en nesten lactosefri fraksjon med høyt proteininnhold, og i stedet for permeat en ren lactoseløsning som er meget lettere å utnytte. Hvis saltene i proteinfraksjonen er skadelige med tanke på anvendelsesformålet, er det mulig å konsentrere proteinfraksjonen ved ultrafiltrering i stedet for avdampning, hvorved saltene fjernes med vannet.

Kromatografisk separering ved hjelp av anvendelse

av kationbytterharpikser er en i og for seg kjent og industrielt anvendt metode for separering av saccharose fra melasse og for separering av fructose fra en blanding av glucose og fructose. I US patentskrift nr. 3 969 337 behandles kromatografisk fraksjonering av myse ved hjelp av kationbytterharpiks. Med behandling av melk forbindes imidlertid mange problemer som avviker fra problemene forbundet med myse,

slik som f.eks. lett utfelling av kasein, bevaring av kaseinets micellestruktur, fettets oppførsel og meget strenge hygi-enebestemmelser, og således kan denne i og for seg kjente behandlingsmetode av myse ikke anvendes for behandling av melk.

Foreliggende oppfinnelse angår en bedre, hygienisk

og industrielt anvendbar metode for spesifikk separering

av lactose fra melk, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at fettfri melk- eller fettfritt melkekonsentrat føres gjennom kationbytterharpiks i en kolonne i en volummengde som er minst ti ganger større enn harpiksens volummengde i kolonnen, for å bringe harpiksens kationsammensetning til å tilsvare kationsammensetningen i melk, hvoretter melk krcmatograferes i kolonnen med den således behandlede kationbytterharpiks ved en temperatur på 55-80°C.

Ved fremgangsmåten anvendes en behandlet kationbytterharpiks.

San harpiks kan anvendes en av Suomen Sokeri Oy fremstilt sterk kationbytterharpiks (harpiks med polystyren-divinylbenzenstamme san inneholder sulf onsyregrupper), hvilken i sin struktur er av samme typa som f .eks. harpiksen "Duolite C204F" (fabrikant Duolite International S.A.) og som anvendes industrielt for separering av saccharose fra melasse. En egnet partikkelstørrelse for harpiksen er 0,06-0,6 mm. Fortrinnvis er harpiksens partikkelstørrelse gjennomsnittlig 0,4 mm. En kolonne fylles med en harpiks i natriumform, og haroiksen behandles slik at den oppnår balanse med melken

i relasjon til sin ioneform. Ved behandlingen . av harpiksen føres fettfri melk eller melkekonsentrat i et volum på minst ti ganger harpikssjiktets volum gjennom harpikssjiktene.

For behandling av harpiksen kan også en saltblanding anvendes hvis kationsammensetning tilsvarer melkens kationsammensetning.

Man kan f.eks. fra en saltblanding inneholdende kalsiumklorid, kaliumklorid, natriumklorid og magnesiumklorid fremstille en vannløsning i hvilket inneholdet av angitte salter er følgende:

Ved behandlingen av harpiksen ledes fordelaktig et kolonnevolum av vannløsningen av den ovenfor fremstilte salt-blandingen gjennom harpikssjiktet.

Hvis man ved fremgangsmåten for kromatografien anven-der harpiks i kalsiumform utskilles melken når den kommer i kontakt med harpiksen og kolonnen tettes til. Hvis harpiksen er i natriumform brytes kaseinets micellestruktur og kaseinet oppløses i natriumkaseinatform. Melken blir derved gjen-nomskinnelig og samtidig forandres dens smak og andre egenskaper.

Ved anvendelse av behandlet kationbytterharpiks for kromatografisk separering av en melk ifølge foreliggende oppfinnelse, beholder kaseinet derimot sin micellestruktur men utfelles ikke.

Ved behandling av melk stilles det ytterst strenge krav til hygienen. Dette kan vanligvis påvirkes ved valg av egnet pH og temperatur. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utviser få muligheter til å regulere pH, da det er fordelaktig å holde melkens proteiner i anionform (pH over 5) for å for-hindre festning til harpiksen.

Temperaturen bør være slik at det ikke forekommer

noen som helst bakterievekst i melken. I den i US patentskrift 3 969 337 angitte kromatografimetode for myse anvendes eksempelvis en temperatur på 2 0°C, hvilken temperatur i praksis er umulig ettersom bakterienes tilvekst derved ikke kan kontrolleres. Ved ultrafiltrering etterstreber man så høye temperaturer som mulig, men membranenes stabilitet bestemmer den øvre grense til ca. 50-55°C. Herved er bakterietilveks-ten allerede betydelig langsommere enn ved 20°C. Ved kromatografisk separering av melk er utgangspunktet imidlertid det at ingen tilvekst får forekomme og at den mikrobiologiske kvalitet helst bør forbedres. Det er blitt obserbert at dette mål oppnåes ved å utføre kromatografien ved en temperatur innen området 50-80°C og det mest fordelaktige temperatur-område er 55-70°C. Kromatografitemperaturer over 80°C er mulige med hensyn til harpiksens holdbarhet, men herved be-gynner de i melken inngående myseproteiner å denatureres, hvorved deres egenskaper forandres.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen egner seg for behandling av både fettfri melk og fettholdig melk, ettersom melkefettet er fullstendig smeltet ved temperaturer over 40°C. Overraskende skjer separering av lactose fra fet melk like spesifikt som fra fettfri melk. Herved erholdes fettet, proteinene og saltene som en egen fraksjon og lactosen som en egen.

Vann- og avvannskostnadene ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er meget små da det er mulig å anvende kondens-vannet i inndampndngsapparatet for eluering, hvilket kondens-vann oppstår vedl konsentrering av melk ved hjelp av avdampning innen den kromatografiske separering utføres. Kondens-vannet egner seg bedre for eluering enn kranvann, ettersom dets saltinnhold er meget lavt. Hvis fraksjonene konsentreres ved hjelp av avdampning, er det mulig å sirkulere samme vann

i prosessen. Ved fremgangsmåten oppstår det ikke noen nevne-

verdige mengder av avvann annet enn ved vask av kolonnen. Vaskeintervallene kan på basis av testresultater være flere døgn hvis vask én gang i døgnet ikke er nødvendig eksempelvis på grunn av lovgivningsmessige årsaker.

Nye inndampningsapparater basert på mekanisk kompresjon av damp er så fordelaktig hva angår energikostnadene at den eneste betydelige ulempen ved kromatografisk separering,

dvs. utspedning, ikke innvirker nevneverdig på fremgangsmåtens lønnsomhet.

Ved fremgangsmåten kan kromatografikolonnen belastes med meget store melkekvantiteter, hvorved utspedningen er liten.

I praksis er volumer av melk som skal kromatograferes

i forhold til volumer av den behandlede kationbytterharpiks i kolonnen 1:200-1:4, fortrinnsvis 1:50-1:5.

De etterfølgende eksempler illustrerer oppfinnelsen.

Eksempel 1

En kolonne hvis høyde var 100 cm og diameter 1,6 cm ble fylt med en sterk kationbytterharpiks som var fremstilt av Suomen Sokeri Oy, og som i struktur er av samme type som f.eks. "Duolite C 204 F" (Duolite International S.A.). Harpiksens partikkelstørrelse var gjennomsnittlig 0,4 mm. Den fer-dige pakkede kolonnes harpiksvolum var 160 ml. Kolonnen omfat-tet en oppvarmningsmantel med hvis hjelp temperaturen ble holdt ved 75°C. Gjennom kolonnen ble først pumpet to liter fettfri melk for å oppnå ionebalanse. Etter vannskilling ble 5 ml fettfritt melkekonsentrat innmatet (pH regulert til 6,7 med NaOH, tørrstoffinnhold 2 7%). For elueringen ble det anvendt avmineralisert vann. Strømningshastigheten var 150 ml/time. Fraksjonene ble samlet med to minutters interval-ler. I tabell 1 og 2 er det vist fraksjoneringen av fettfri melk i disse forhold.

Eksempel 2

Testarrangementet var det samme som i eksempel 1 men nå ble det i kolonnen innmatet 2 ml melkekonsentrat (36% k.a.) som var fremstilt av konsummelk (3,9% fett). Resultatene er vist i tabell 3.

Eksempel 3

Testarrangementene var de samme som i eksempel 1,

men i stedet ble 15 ml fettfritt melkekonsentrat innmatet (29% k.a.). Som tabell 4 viser var separeringen fremdeles meget god og utspedningen liten.

Eksempel 4

Separeringskolonnens hygiene ble overvåket ved bestem-melse av de fra kolonnen erholdte fraksjoners mikrobemeng-der ved hjelp av totalkolonibestemmelse. Temperaturens innvirkning fremgikk tydelig når fettfritt melkekonsentrat av dårlig kvalitet ble kromatografert ved 50°C og 65°C med opprettholdelse av testarrangementet ifølge eksempel

1. I tabell 5 er vist resultatene av den første kjøring. Ved lengre kjøring ved 50°C ble kolonnen forurenset enda tydeligere, men ved 6 5°C holdt kolonnen seg ren.

Eksempel 5

Behandling av harpiks med en saltblanding tilsvarende melkens kationsammensetning:

Av en saltblanding inneholdende kalsiumklorid, kaliumklorid, natriumklorid og magnesiumklorid blé det fremstilt en vannløsning i hvilken angitte salters innhold var føl-gende :

Den i eksempel 1 anvendte harpiks ble behandlet på samme måte som i eksempel 1, men 'behandlingen ble utført ved at det i stedet for fettfri melk ble anvendt et kolonnevolum av vannløsningen av den ovenfor fremstilte saltblanding.

Når en på denne måte behandlede harpiks ble anvendt for separering av lactose fra melk, ble det erholdt lignende resultater som ved anvendelse av harpiks som var -behandlet med melk.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for kromatografisk separering av lactose fra melk, som omfatter konsentrering av melken, før-ing av melken gjennom en kolonne med kationbytterharpiks og eluering av kolonnen med demineralisert vann for oppnåelse av en proteinholdig og en lactoseholdig fraksjon, karakterisert ved at fettfri melk eller fettfritt melkekonsentrat føres gjennom kationbytterharpiks i en kolonne i en volummengde som er minst ti ganger større enn harpiksens volummengde i kolonnen, for å bringe harpiksens kationsammensetning til å tilsvare kationsammensetningen i melk, hvoretter melk kromatograferes i kolonnen med den således behandlede kationbytterharpiks ved en temperatur på 55-80°C.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den kromatografiske separering utføres ved en temperatur på 55-70°C.

3. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes melk hvis pH overstiger 5.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den melken som anvendes er et melkekonsentrat hvis tørrstoffinnhold er ca.

27 %.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at melkekonsentratet som anvendes er et konsentrat som fremstilles fra fettfri melk og hvis tørrstoffinnhold er ca. 27 %.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at melkekonsentratet som anvendes er et konsentrat som fremstilles fra fet melk og hvis tørrstoffinnhold er ca. 27 %.

7. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at volumet av melk som kromatograferes, i forhold til volumet av behandlet kationbytterharpiks i kolonnen er 1:200-1:4.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at volumet av melk som kromatograferes, i forhold til volumet av den behandlede kationbytterharpiks i kolonnen er 1:50-1:5.

9. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det for eliieringen anvendes vann som erholdes fra konsentrering av melken som kromatograferes.

10. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes harpiks med partikkelstørrelse på 0,06-0,6 mm.