Jak powstaje białko serwatkowe: z farmy do twojego shakera

Wprowadzenie do produkcji koncentratu serwatkowego

Białko serwatkowe jest produktem ubocznym przy produkcji sera i jest jednym z najlepszych źródeł białka zwierzęcego. Jego produkcja i skład różnią się w zależności od zastosowanych metod, co wpływa na jego wartości odżywcze oraz strukturę białek, zawartość tłuszczu, a nawet smak.

W zależności od stopnia i rodzaju przetwarzania technologicznego mogą powstać cztery rodzaje koncentratu serwatkowego, które w żywieniu sportowym są najczęściej stosowane do finalnej produkcji proszku białkowego, jaki znasz. Chodzi o koncentrat serwatkowy, izolat serwatkowy, hydrolizat serwatkowy, przezroczysty (clear) izolat serwatkowy. Dla wyobrażenia, do produkcji 1 kg koncentratu serwatkowego w proszku potrzeba więcej niż 160 kg roztworu serwatkowego.

Pierwszy krok: oddzielenie serwatki od mleka

Produkcja białka serwatkowego zaczyna się od pasteryzacji mleka krowiego, aby pozbyć się wszystkich niepożądanych bakterii. Podczas pasteryzacji mleko jest doprowadzane do punktu wrzenia (70-80 °C), a następnie natychmiast schładzane do 4°. Po pasteryzacji w mleku pozostaje około 20 % białka serwatkowego i 80 % kazeiny.

Kluczowym krokiem w tym procesie jest zastosowanie enzymu chymozyny, znanego też jako podpuszczka, który jest kluczowy dla produkcji większości rodzajów serów. Chymozyna ma za zadanie koagulować, czyli ścinać mleko, i w ten sposób oddzielić stałe i płynne cząstki kazeiny od płynnej części mleka.

Działanie chymozyny jest więc skierowane na kazeinę, konkretnie na jej wariant kappa-kazeinę, obecną na powierzchni micel mlecznych. Gdy chymozyna rozszczepia określone wiązania w kappa-kazeinie, dochodzi do zmiany struktury micel, co prowadzi do skupiania się białek mleka, zwłaszcza kazeiny, w stałe cząstki. Po koagulacji powstają stałe cząstki kazeiny, z których produkuje się ser, i oddzielają się od płynnej części, znanej jako serwatka. Serwatka zawiera białka serwatkowe, laktozę, witaminy i minerały, i jest dalej przetwarzana do produkcji białek serwatkowych.

Źródło: foodunfolded.com

Drugi krok: oczyszczanie białek serwatkowych

Kolejnym krokiem jest proces wstępnego oczyszczania płynnej serwatki, podczas którego zapewnia się jakość i czystość produktu końcowego. Proces wstępnego oczyszczania zwykle obejmuje dwie fazy:

Usunięcie tłuszczów i substancji stałych: Najpierw trzeba usunąć z serwatki tłuszcze i substancje stałe. Odbywa się to zwykle za pomocą wirowania lub mikrofiltracji. Celem jest uzyskanie jak najczystszego roztworu serwatki.

Usuwanie laktozy i minerałów: Serwatka zawiera duże ilości laktozy i minerałów. Do produkcji białka serwatkowego trzeba te składniki zredukować, co często odbywa się za pomocą ultrafiltracji. Ultrafiltracja umożliwia usunięcie tych małych cząsteczek, podczas gdy białka pozostają w roztworze.

Źródło: agropur.com

Trzeci krok: koncentracja białek serwatkowych

Po usunięciu niepożądanych składników białka w serwatce są koncentrowane. Ten proces zwykle wykonuje się za pomocą kilku metod (lub ich kombinacji) w zależności od tego, jak czysty koncentrat białka ma powstać z tego procesu i jaki produkt ma powstać. Można zastosować ultrafiltrację, diafiltrację, mikrofiltrację, nanofiltrację, elektrodializę, odwróconą osmozę, mikrofiltrację krzyżowym przepływem (CFM - Cross Flow Microfiltration), wymianę jonową lub hydrolizę.

Metody mogą być stosowane także w połączeniu w celu na przykład maksymalnego obniżenia resztkowego procentu tłuszczu w koncentracie lub zachowania jak największej integralności struktury białek. Każda z wymienionych metod koncentracji białek ma swoje specyficzne zalety i wady i jest stosowana do różnych typów produktów.

W standardowej produkcji białka serwatkowego, które jest stosowane do żywienia sportowego, w zdecydowanej większości przypadków (stosuje się filtracje membranowe (np. ultrafiltrację, mikrofiltrację krzyżowym przepływem) do produkcji koncentratu serwatkowego. Jeśli w procesie zastosowana jest też metoda wymiany jonowej, powstaje izolat serwatkowy. Przy produkcji serwatkowego hydrolizatu zamiast wymiany jonowej wybiera się proces chemiczny znany jako hydroliza enzymatyczna. Produkcja czystego białka łączy filtrację, wymianę jonową i hydrolizę.

Wynikiem tych procesów technologicznych jest płynny roztwór skoncentrowanych białek, które stanowią podstawę produktów dla

• Koncentrat serwatkowy (WPC): Skrót WPC jest często poprzedzony liczbą 75, 80. Ta liczba wyraża zawartość białka na 100 g czystego surowca. Procent tłuszczu wynosi między 6-8 %.
• Izolat serwatkowy (WPI) / Przezroczysty izolat serwatkowy: Zawartość białka w izolatach osiąga standardowo więcej niż 90%. Zawartość tłuszczu wynosi około 1-2 % przy minimalnej ilości węglowodanów.
• Hydrolizat serwatkowy: Zawartość białka w hydrolizatach wynosi między 75-80 % w 100 g czystego surowca. Mają jednak najlepszą biodostępność i najszybszą strawność.

Roztwór wędruje potem do czwartej fazy, w której zachodzi suszenie. Zanim jednak do tego dojdziemy, podsumujmy podstawowe informacje o stosowanych metodach.

Ultrafiltracja (UF) wykorzystuje membrany z małymi porami do oddzielenia białek od mniejszych cząsteczek, takich jak laktoza, minerały i woda. Białka, dzięki swojej większej masie cząsteczkowej, pozostają po jednej stronie membrany, podczas gdy mniejsze cząsteczki przechodzą przez nią.

• Zalety: Efektywne oddzielenie białek od mniejszych składników; zachowuje funkcjonalne i odżywcze właściwości białek; szeroko stosowana i skalowalna metoda.
• Wady: Ryzyko zatkania membrany, co wymaga regularnego czyszczenia i konserwacji; może być kosztowna w przypadku dużych objętości lub wysoko skoncentrowanych roztworów.

Mikrofiltracja krzyżowym przepływem (Cross-Flow Microfiltration) to technologicznie bardziej zaawansowana metoda, a jej zastosowanie zapewnia wyższą jakość i czystość produktu końcowego. Podczas procesu ciecz płynie równolegle do powierzchni membrany, a nie bezpośrednio przez nią. Dzięki temu zmniejsza się ryzyko zatkania membrany, ponieważ większe cząstki są stale „spłukiwane” z powierzchni membrany.

• Zalety: mniej podatna na zatykanie i zanieczyszczanie membrany niż tradycyjna filtracja; skuteczna do oddzielania większych cząstek, takich jak tłuszcze i bakterie; lepsza dla zachowania struktury i funkcjonalności białek.
• Wady: wyższe koszty urządzeń i konserwacji; mniej skuteczna do oddzielania białek od mniejszych cząsteczek niż ultrafiltracja.

Wymiana jonowa wchodzi do procesu, jeśli wynikiem ma być izolat serwatkowy. Jest to proces, który selektywnie izoluje specyficzne składniki białkowe. Surowa serwatka jest przesyłana przez kolumnę, która zbiera białka i oddziela je na podstawie różnic w ich całkowitym ładunku. Reszta (laktoza i minerały) jest spłukiwana i dalej przetwarzana do innego składnika. Wymiana jonowa zbiera wszystkie funkcjonalne i odżywcze białka w serwatce, w tym białka bioaktywne, takie jak immunoglobuliny i laktoferyna. Wynikowe białko serwatkowe ma dzięki temu mniej tłuszczu i laktozy niż koncentraty serwatkowe, a także na przykład lepiej się rozpuszcza.

• Zalety: Wysoce selektywna dla specyficznych białek; skuteczna w usuwaniu zanieczyszczeń.
• Wady: Może denaturować niektóre białka; wymaga specyficznych warunków dla każdego typu białek.

Źródło: agropur.com

Hydroliza to proces biochemiczny, w którym długie łańcuchy aminokwasów w koncentracie serwatkowym rozkładają się na krótsze łańcuchy peptydowe. Hydrolizę przeprowadza się za pomocą enzymów, kwasów lub zasad. Hydroliza enzymatyczna jest najczęściej stosowaną metodą, ponieważ jest bardziej specyficzna i łagodniejsza dla białek.

Czas trwania hydrolizy może być różny i wpływa na stopień rozkładu białek oraz właściwości produktu końcowego.

• Zalety: poprawia dostępność trawienną i aktywność biologiczną białek; Zmniejszenie potencjału alergennego niektórych białek; Umożliwia tworzenie specyficznych peptydów o celowanych właściwościach funkcjonalnych.
• Wady: może dojść do denaturacji (zmiany struktury) białek, co wpływa na ich właściwości funkcjonalne; Proces hydrolizy może być kosztowny ze względu na potrzebę enzymów lub chemikaliów; Możliwe zmiany smaku i zapachu produktu końcowego.

Bardzo popularną formą przetworzenia jest tzw. Przezroczysty izolat serwatkowy (Clear Whey Isolate), który powstaje przez zakwaszanie i oczyszczanie białka serwatkowego przy niskim pH. Białko jest dalej często hydrolizowane, aby osiągnąć wyższą biodostępność poprzez rozkład i skrócenie wiązań peptydowych. Mówiąc prościej, możemy sobie wyobrazić, że białka „wstępnie się trawią” już podczas procesu.

Wyższe stopnie procesu technologicznego mają za zadanie niemal całkowicie usunąć nadmiarowe tłuszcze i węglowodany i osiągnąć w ten sposób wyższą zawartość białka w 100 g czystego proszku. Wyraźne skrócenie wiązań peptydowych umożliwia łatwiejsze wchłanianie peptydów białkowych do krwiobiegu. Przezroczyste białko. W przypadku przezroczystego białka masz tę zaletę, że nie smakuje jak mleko i świetnie orzeźwia.

Ultrafiltracja, mikrofiltracja krzyżowym przepływem i wymiana jonowa to metody fizyczne, które koncentrują się na oddzieleniu białek na podstawie wielkości cząsteczek. Natomiast hydroliza to proces chemiczny, który zmienia strukturę samych białek. Wybór metody zależy od pożądanych właściwości produktu końcowego oraz od specyficznych potrzeb procesu produkcyjnego.

Czwarty krok: przemiana cieczy w proszek

Proces suszenia przy produkcji koncentratu serwatkowego jest kluczową fazą, podczas której płynna forma serwatki przekształca się w produkt proszkowy odpowiedni do długotrwałego przechowywania, łatwej dystrybucji i ewentualnego dalszego przetwarzania (np. dodania smaku). Najbardziej rozpowszechnioną i najczęściej stosowaną metodą jest suszenie rozpryskowe (spray drying).

Ten proces technologiczny obejmuje rozpylanie skoncentrowanej płynnej serwatki w gorącym powietrzu w komorze suszącej. Cząsteczki wody z kropel koncentratu szybko odparowują, dzięki czemu powstaje produkt proszkowy. Suszenie rozpryskowe umożliwia szybkie i efektywne odparowanie cząsteczek wody i zachowuje wysoką jakość białek. Ten proces jest wrażliwy na regulację cieplną, dlatego temperatura i wilgotność są stale ściśle kontrolowane, aby nie doszło do termicznej denaturacji białek.

W końcowej fazie proszek jest automatyczną pakowaczką odważany do worków najczęściej 25 kg i magazynowany. Do eksportu worki są układane na palecie i przygotowywane do transportu do zakładu, który specjalizuje się w dodawaniu smaku i przepakowywaniu do opakowań konsumenckich.

Źródło: proteinfactory.com

Piąty krok: dodanie smaku, produkcja i pakowanie

W piątym kroku zachodzi przetwarzanie wtórne. Na wejściu jest to biały nieprzyprawiony proszek, a na wyjściu białko przyjmuje postać, jaką znamy - jest przyprawione, słodzone, ma kolor i jest zapakowane w opakowanie konsumenckie, najczęściej w saszetki lub puszki w najróżniejszych gramaturach od 400-2000 g.

Dodanie smaku i słodzenie

Twój ulubiony smak białka zapewniają albo sztuczne, albo naturalne aromaty, barwniki i słodziki. Aby wszystkie składniki następnie dobrze wymieszały się w shakerze, często trzeba dodać też zupełnie nieszkodliwą lecytynę (najczęściej sojową lub słonecznikową). W niektórych przypadkach do białek dodaje się też substancję przeciwzbrylającą - np. dwutlenek krzemu, który zapobiega grudkowaceniu lub zmniejsza pienienie się w przypadku przezroczystego izolatu serwatkowego.

Wszystkie składniki smakowe dodaje się do białka w określonej proporcji według preferencji działu rozwoju marki, który próbki podczas poszukiwania najlepszego smaku na bieżąco degustuje i testuje - przynajmniej powinien. Gdy smak i rozpuszczalność są zadowalające, zaczyna się produkcja.

Produkcja i pakowanie

Surowiec podstawowy i składniki smakowe są dosłownie wsypywane do tzw. homogenizatora, który można sobie wyobrazić jako duży mikser. Obracanie w różnych kierunkach zapewnia, że powstała sypka mieszanka jest naprawdę zhomogenizowana, a wszystkie dodane składniki dobrze się mieszają z czystą bazą serwatkową. W ten sposób zapewnia się, że każda porcja białka w opakowaniu smakuje tak samo, jeśli jest zmieszana z zalecaną ilością wody lub mleka. Z homogenizatora mieszanka jest potem pakowana do opakowań konsumenckich według wybranej gramatury. Następnie produkt jest ponownie umieszczany na palecie i transportowany do magazynu marki. Z magazynu po zamówieniu internetowym jest kompletowany, pakowany i dostarczany do punktu odbioru lub do ciebie do domu wybraną przez ciebie usługą.

Źródło: homogenizer.cz

 

Podsumowanie: wybór i jakość białek serwatkowych

Podstawą zdecydowanej większości białek serwatkowych jest serwatkowy koncentrat, izolat, przezroczysty izolat lub hydrolizat. Ta podstawa jest jakościowo całkowicie identyczna lub bardzo podobna. Bardzo wysokie standardy produkcji i jakości tych surowców obowiązują bowiem jednakowo dla wszystkich producentów surowca podstawowego. I dokładnie z tego powodu mleka różnych marek smakują też tak samo lub bardzo podobnie i mają podobny skład odżywczy.

Powodem jest to, że pierwotny rolniczy, zwłaszcza przemysł mleczarski i jego produkty są jednym z najważniejszych i najściślej kontrolowanych sektorów w całej Unii Europejskiej, a jakość wyjściowa jest jasno zdefiniowana i zestandaryzowana.

To jednak nie dotyczy przetwarzania wtórnego w przypadku produkcji przyprawionych białek serwatkowych, podczas którego do bardzo wysokiej jakości surowca dodaje się składniki smakowe różnej i często gorszej jakości. Chodzi zwłaszcza o sztuczne słodziki, aromaty i barwniki.

---

Źródła:

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