Как се произвежда суроватъчен протеин: от фермата до твоя шейкър

Въведение в производството на суроватъчен концентрат

Суроватъчният протеин е страничен продукт при производството на сирене и е един от най-качествените източници на животински протеин. Неговото производство и състав се различават в зависимост от използваните методи, което влияе на неговите хранителни стойности, структурата на протеините, съдържанието на мазнини и дори вкуса.

В зависимост от вида степен и вида технологична обработка могат да възникнат четири вида суроватъчен концентрат, които в спортното хранене най-често се използват за крайното производство на протеиновия прах, който познаваш. Става дума за суроватъчен концентрат, суроватъчен изолат, суроватъчен хидролизат, бистър (clear) суроватъчен изолат. За представа, за производството на 1 кг суроватъчен концентрат на прах са нужни повече от 160 кг суроватъчен разтвор.

Първа стъпка: отделяне на суроватката от млякото

Производството на суроватъчен протеин започва с пастьоризация на кравето мляко, за да се освободи от всички нежелани бактерии. По време на пастьоризацията млякото се довежда до точката на кипене (70-80 °C) и веднага след това се охлажда до 4°. След пастьоризацията в млякото остава приблизително 20 % суроватъчен протеин и 80 % казеин.

Ключова стъпка в този процес е използването на ензима химозин, познат също като ренин, който е от съществено значение за производството на повечето видове сирена. Химозинът има за задача да коагулира, тоест да съсирва млякото и по този начин да отдели твърдите и течните частици казеин от течната част на млякото.

Действието на химозина е насочено следователно към казеина, по-точно към неговия вариант капа-казеин, присъстващ на повърхността на млечните мицели. Когато химозинът разкъса определени връзки в капа-казеина, настъпва промяна в структурата на мицелите, което води до сгрупиране на млечните протеини, най-вече казеин, в твърди частици. След коагулацията се образуват твърди частици казеин, от които се произвежда сирене, и се отделят от течната част, известна като суроватка. Суроватката съдържа суроватъчни протеини, лактоза, витамини и минерали и се обработва допълнително за производство на суроватъчни протеини.

Източник: foodunfolded.com

Втора стъпка: пречистване на суроватъчните протеини

Следващата стъпка е процесът на предварително пречистване на течната суроватка, по време на който се осигурява качеството и чистотата на крайния продукт. Процесът на предварително пречистване обикновено включва две фази:

Отстраняване на мазнини и твърди вещества: Първо е нужно от суроватката да се отстранят мазнините и твърдите вещества. Това обикновено става чрез центрофугиране или микрофилтрация. Целта е да се получи възможно най-чист суроватъчен разтвор.

Отстраняване на лактоза и минерали: Суроватката съдържа голямо количество лактоза и минерали. За производството на суроватъчен протеин е нужно тези компоненти да се намалят, което често става чрез ултрафилтрация. Ултрафилтрацията позволява отстраняването на тези малки молекули, докато протеините остават в разтвора.

Източник: agropur.com

Трета стъпка: концентриране на суроватъчните протеини

След отстраняване на нежеланите компоненти протеините в суроватката се концентрират. Този процес обикновено се извършва чрез няколко метода (или тяхна комбинация) в зависимост от това колко чист протеинов концентрат трябва да се получи от процеса и какъв продукт трябва да се получи. Може да се използва ултрафилтрация, диафилтрация, микрофилтрация, нанофилтрация, електродиализа, обратна осмоза, кръстосана микрофилтрация (CFM - Cross Flow Microfiltration), йонообмен или хидролиза.

Методите могат да се използват и последователно с цел например да се намали максимално остатъчният процент мазнини в концентрата или да се запази максимална цялост на структурата на протеините. Всеки от изброените методи за концентриране на протеини има свои специфични предимства и недостатъци и се използва за различни типове продукти.

При стандартното производство на суроватъчен протеин, който се използва за спортно хранене, в по-голямата част от случаите се използват мембранни филтрации (напр. ултрафилтрация, кръстосана микрофилтрация) за производство на суроватъчен концентрат. Ако в процеса се използва и методът на йонообмен, се получава суроватъчен изолат. При производството на суроватъчен хидролизат вместо йонообмен се избира химичен процес, познат като ензимна хидролиза. Производството на бистър протеин комбинира филтрация, йонообмен и хидролиза.

Резултатът от тези технологични процеси е течен разтвор от концентрирани протеини, които образуват основата на продуктите за

• Суроватъчен концентрат (WPC): Съкращението WPC често е придружено от число 75, 80. Това число изразява съдържанието на протеин на 100 г чиста суровина. Процентът мазнини е между 6-8 %.
• Суроватъчен изолат (WPI) / Бистър суроватъчен изолат: Съдържанието на протеин в изолатите стандартно достига над 90%. Съдържанието на мазнини е около 1-2 % с минимум въглехидрати.
• Суроватъчен хидролизат: Съдържанието на протеин в хидролизатите е между 75-80 % в 100 г чиста суровина. Те обаче имат най-добрата бионаличност и най-бързата смилаемост.

Разтворът след това преминава в четвъртата фаза, при която протича сушенето. Но преди да стигнем дотам, нека обобщим основната информация за използваните методи.

Ултрафилтрацията (UF) използва мембрани с малки пори за отделяне на протеините от по-малките молекули, като лактоза, минерали и вода. Протеините, благодарение на своята по-голяма молекулна маса, остават от едната страна на мембраната, докато по-малките молекули преминават през нея.

• Предимства: Ефективно отделяне на протеини от по-малки компоненти; запазва функционалните и хранителните свойства на протеините; широко приложим и мащабируем метод.
• Недостатъци: Риск от запушване на мембраната, което изисква редовно почистване и поддръжка; може да е скъпо при големи обеми или силно концентрирани разтвори.

Кръстосаната микрофилтрация (Cross-Flow Microfiltration) е технологично по-напреднал метод и нейното използване осигурява по-високо качество и чистота на крайния продукт. По време на процеса течността протича успоредно на повърхността на мембраната, а не директно през нея. По този начин се намалява рискът от запушване на мембраната, защото по-големите частици постоянно се „отмиват“ от повърхността на мембраната.

• Предимства: по-малко податлива на запушване и замърсяване на мембраната от традиционната филтрация; ефективна за отделяне на по-големи частици, като мазнини и бактерии; по-добра за запазване на структурата и функционалността на протеините.
• Недостатъци: по-високи разходи за оборудване и поддръжка; по-малко ефективна за отделяне на протеини от по-малки молекули в сравнение с ултрафилтрацията.

Йонообменът се включва в процеса, ако резултатът трябва да бъде суроватъчен изолат. Става дума за процес, който селективно изолира специфични протеинови компоненти. Суровата суроватка се пропуска през колона, която улавя протеините и ги разделя въз основа на разликите в техния общ заряд. Остатъкът (лактоза и минерали) се отмива и се обработва допълнително в друг компонент. Йонообменът улавя всички функционални и хранителни протеини в суроватката, включително биоактивни протеини като имуноглобулини и лактоферин. Полученият суроватъчен протеин затова има по-малко мазнини и лактоза от суроватъчните концентрати, а също се например разтваря по-добре.

• Предимства: Високо селективен за специфични протеини; ефективен при отстраняване на примеси.
• Недостатъци: Може да денатурира някои протеини; изисква специфични условия за всеки тип протеини.

Източник: agropur.com

Хидролизата е биохимичен процес, при който дългите вериги от аминокиселини в суроватъчния концентрат се разграждат на по-къси пептидни вериги. Хидролизата се извършва с помощта на ензими, киселини или основи. Ензимната хидролиза е най-често използваният метод, защото е по-специфична и по-щадяща за протеините.

Продължителността на хидролизата може да варира и влияе на степента на разграждане на протеините и свойствата на крайния продукт.

• Предимства: подобрява храносмилателната достъпност и биологичната активност на протеините; намаляване на алергенния потенциал на някои протеини; позволява създаването на специфични пептиди с целенасочени функционални свойства.
• Недостатъци: може да настъпи денатурация (промяна на структурата) на протеините, което влияе на функционалните им свойства; процесът на хидролиза може да е скъп поради необходимостта от ензими или химикали; възможни промени във вкуса и аромата на крайния продукт.

Много популярна форма на обработка е т.нар. Бистър суроватъчен изолат (Clear Whey Isolate), който се произвежда чрез ацидификация и пречистване на суроватъчния протеин при ниско pH. Протеинът след това често се хидролизира за постигане на по-висока биологична наличност чрез разграждане и скъсяване на пептидните връзки. Опростено казано, можем да си представим, че протеините се „предсмилат“ още по време на процеса.

По-високите степени на технологичния процес имат за задача почти напълно да отстранят излишните мазнини и въглехидрати и по този начин да постигнат по-високо съдържание на протеин в 100 г чист прах. Значителното скъсяване на пептидните връзки позволява по-лесно усвояване на протеиновите пептиди в кръвния поток. Бистър протеин. При бистрия протеин имаш предимството, че не има вкус на мляко и чудесно освежава.

Ултрафилтрацията, кръстосаната микрофилтрация и йонообменът са физически методи, които се фокусират върху отделянето на протеините въз основа на размера на молекулите. За разлика от тях хидролизата е химичен процес, който променя структурата на самите протеини. Изборът на метод зависи от желаните свойства на крайния продукт и специфичните нужди на производствения процес.

Четвърта стъпка: превръщане на течността в прах

Процесът на сушене при производството на суроватъчен концентрат е ключова фаза, по време на която течната форма на суроватката се превръща в прахообразен продукт, подходящ за дългосрочно съхранение, лесно разпространение и евентуална допълнителна обработка (напр. овкусяване). Най-разпространеният и най-често използван метод е сушенето чрез разпръскване (spray drying).

Този технологичен процес включва впръскване на концентрираната течна суроватка в горещ въздух в сушилна камера. Молекулите на водата бързо се изпаряват от капките концентрат, при което се получава прахообразен продукт. Сушенето чрез разпръскване позволява бързо и ефективно изпаряване на водните молекули и запазва високото качество на протеините. Този процес е чувствителен към температурния контрол, затова температурата и влажността се контролират постоянно и строго, за да не настъпи термична денатурация на протеините.

В крайната фаза прахът се претегля от автоматична опаковъчна машина в чували, най-често по 25 кг, и се съхранява. За износ чувалите се подреждат на палет и се подготвят за транспорт до съоръжение, специализирано в овкусяването и препакетирането в потребителски опаковки.

Източник: proteinfactory.com

Пета стъпка: овкусяване, производство и опаковане

В петата стъпка настъпва вторична обработка. На входа е бял неовкусен прах, а на изхода протеинът придобива формата, която познаваме – овкусен, подсладен, има цвят и е опакован в потребителска опаковка, най-често в пликове или кутии в най-различни грамажи от 400-2000 г.

Овкусяване и подслаждане

Твоят любим вкус на протеина се осигурява от изкуствени или естествени аромати, оцветители и подсладители. За да се смесят добре всички компоненти впоследствие в шейкъра, често е нужно да се добави и напълно безвреден лецитин (най-често соев или слънчогледов). В някои случаи към протеините се добавя и противослепваща добавка – напр. силициев диоксид, който предотвратява образуването на бучки или намалява пенливостта при бистрия суроватъчен изолат.

Всички овкусяващи компоненти се добавят към протеина в определено съотношение според предпочитанията на отдела за разработка на марката, който в процеса на търсене на най-добрия вкус постоянно опитва и тества образците – поне така би трябвало. Щом вкусът и разтворимостта отговарят на изискванията, започва производството.

Производство и опаковане

Първичната суровина и овкусяващите компоненти след това буквално се изсипват в т.нар. хомогенизатор, който може да си представиш като голям миксер. Въртенето в различни посоки осигурява получената насипна смес да бъде наистина хомогенизирана и всички добавени компоненти да се смесят добре с чистата суроватъчна основа. По този начин се осигурява, че всяка доза протеин в опаковката има еднакъв вкус, ако се смеси с препоръчаното количество вода или мляко. От хомогенизатора смесента после се опакова в потребителски опаковки според избраната грамаж. Впоследствие продуктът отново се поставя на палет и се транспортира до склада на марката. От склада след онлайн поръчка се подготвя, опакова се и се транспортира до пункт за получаване или до твоя дом чрез избраната от теб услуга.

Източник: homogenizer.cz

 

В заключение: избор и качество на суроватъчните протеини

Основата на по-голямата част от суроватъчните протеини е суроватъчен концентрат, изолат, бистър изолат или хидролизат. Тази основа е качествено напълно идентична или много сходна. Много високите стандарти за производството и качеството на тези суровини важат еднакво за всички производители на първична суровина. И то точно поради причината, поради която млякото на различни марки има също еднакъв или много сходен вкус и има подобен хранителен състав.

Причината е, че основният селскостопански, най-вече млечният сектор и неговите продукти са едни от най-важните и най-строго контролираните сектори в целия Европейски съюз, а крайното качество е ясно дефинирано и стандартизирано.

Това обаче не важи за вторичната обработка при производството на ароматизирани суроватъчни протеини, при която към много качествената суровина се добавят ароматизиращи съставки с различно и често по-ниско качество. Става дума най-вече за изкуствени подсладители, аромати и оцветители.

---

Източници:

1. Hilton C. Deeth and Nidhi Bansal (2019) Whey Proteins: From Milk to Medicine ISBN 978-0-12-812124-5
2. Protein hydrolysis. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B978008100596521755
3. How whey protein is made. https://www.agropur.com/us/news/how-whey-protein-is-made
4. Whey protein concentrate and isolate. https://www.spxflow.com/assets/pdf/spx-flow-whey-protein-isolate-concentrate-612-gb.pdf
5. What is whey protein. https://agnroots.com/blogs/articles-info/what-is-whey-protein
6. https://www.foodunfolded.com/article/sustainable-protein-powders-whey-vs-plant-based
7. https://www.vaisala.com/en/blog/2022-11/how-measure-crucial-process-parameters-efficient-spray-drying
8. https://proteinfactory.com/bulk-protein-powder-2/
9. http://www.homogenizer.cz/wp-content/uploads/Fotografie0197.jpg