Kako nastane sirotkin protein: od kmetije do tvojega šejkerja

Uvod v proizvodnjo sirotkinega koncentrata

Sirotkin protein je stranski proizvod pri proizvodnji sira in je eden od najkakovostnejših virov živalskih beljakovin. Njegova proizvodnja in sestava se razlikujeta glede na uporabljene metode, kar vpliva na njegove hranilne vrednosti in strukturo beljakovin, vsebnost maščob in celo okus.

Glede na vrsto stopnje in vrsto tehnološke obdelave lahko nastanejo štiri vrste sirotkinega koncentrata, ki se v športni prehrani najpogosteje uporabljajo za končno izdelavo proteinskega prahu, kakršnega poznaš. Gre za sirotkin koncentrat, sirotkin izolat, sirotkin hidrolizat, čisti (clear) sirotkin izolat. Za predstavo, za izdelavo 1 kg sirotkinega koncentrata v prahu je potrebnih več kot 160 kg sirotkine raztopine.

Prvi korak: ločevanje sirotke od mleka

Proizvodnja sirotkinega proteina se začne s pasterizacijo kravjega mleka, da se znebi vseh neželenih bakterij. Med pasterizacijo se mleko segreje do vrelišča (70-80 °C) in nato takoj ohladi na 4°. Po pasterizaciji v mleku ostane približno 20 % sirotkinih beljakovin in 80 % kazeina.

Ključni korak v tem procesu je uporaba encima himozina, znanega tudi kot renin, ki je ključen za proizvodnjo večine vrst sirov. Himozin ima nalogo koagulirati, oziroma strditi mleko, in tako ločiti trdne in tekoče delce kazeina od tekočega dela mleka.

Delovanje himozina je torej usmerjeno na kazein, natančneje na njegovo varianto kapa-kazein, prisotno na površini mlečnih micel. Ko himozin razcepi določene vezi v kapa-kazeinu, pride do spremembe strukture micel, kar vodi do zlepljanja mlečnih beljakovin, predvsem kazeina, v trdne delce. Po koagulaciji nastanejo trdni delci kazeina, iz katerih se izdeluje sir, in se ločijo od tekočega dela, znanega kot sirotka. Sirotka vsebuje sirotkine beljakovine, laktozo, vitamine in minerale ter se nadalje predeluje za proizvodnjo sirotkinih proteinov.

Vir: foodunfolded.com

Drugi korak: čiščenje sirotkinih beljakovin

Naslednji korak je proces predčiščenja tekoče sirotke, med katerim se zagotavlja kakovost in čistost končnega izdelka. Proces predčiščenja običajno vključuje dve fazi:

Odstranjevanje maščob in trdnih snovi: Najprej je treba iz sirotke odstraniti maščobe in trdne snovi. To se običajno izvaja s centrifugiranjem ali mikrofiltracijo. Cilj je pridobiti čim čistejšo sirotkino raztopino.

Odstranjevanje laktoze in mineralov: Sirotka vsebuje veliko količino laktoze in mineralov. Za proizvodnjo sirotkinega proteina je treba te sestavine zmanjšati, kar se pogosto izvaja z ultrafiltracijo. Ultrafiltracija omogoča odstranitev teh majhnih molekul, medtem ko beljakovine ostajajo v raztopini.

Vir: agropur.com

Tretji korak: koncentracija sirotkinih beljakovin

Po odstranitvi neželenih sestavin se beljakovine v sirotki koncentrirajo. Ta proces se običajno izvaja z več metodami (ali njihovo kombinacijo), odvisno od tega, kako čist koncentrat beljakovin naj bi nastal iz procesa in kakšen izdelek naj bi nastal. Lahko se uporabi ultrafiltracija, diafiltracija, mikrofiltracija, nanofiltracija, elektrodializa, reverzna osmoza, navzkrižna mikrofiltracija (CFM - Cross Flow Microfiltration), ionska izmenjava ali hidroliza.

Metode se lahko uporabljajo tudi zaporedno, na primer s ciljem, da se čim bolj zmanjša preostali odstotek maščobe v koncentratu ali ohrani čim večja celovitost strukture beljakovin. Vsaka od navedenih metod koncentracije beljakovin ima svoje specifične prednosti in slabosti in se uporablja za različne vrste izdelkov.

V standardni proizvodnji sirotkinega proteina, ki se uporablja za športno prehrano, se v veliki večini primerov uporablja membranska filtracija (npr. ultrafiltracija, navzkrižna mikrofiltracija) za izdelavo sirotkinega koncentrata. Če je v procesu uporabljena tudi metoda ionske izmenjave, nastane sirotkin izolat. Pri izdelavi sirotkinega hidrolizata se namesto ionske izmenjave izbere kemični proces, znan kot encimska hidroliza. Izdelava čistega proteina kombinira filtracijo, ionsko izmenjavo in hidrolizo.

Rezultat teh tehnoloških postopkov je tekoča raztopina koncentriranih beljakovin, ki tvorijo osnovo izdelkov za

• Sirotkin koncentrat (WPC): Kratico WPC pogosto spremlja številka 75, 80. Ta številka izraža vsebnost beljakovin na 100 g čiste surovine. Odstotek maščobe se giblje med 6-8 %.
• Sirotkin izolat (WPI) / Čisti sirotkin izolat: Vsebnost beljakovin v izolatih standardno dosega več kot 90 %. Vsebnost maščobe se giblje okoli 1-2 % z minimalno vsebnostjo ogljikovih hidratov.
• Sirotkin hidrolizat: Vsebnost beljakovin v hidrolizatih se giblje med 75-80 % v 100 g čiste surovine. Imajo pa najboljšo biološko uporabnost in najhitrejšo prebavljivost.

Raztopina nato potuje v četrto fazo, kjer poteka sušenje. Preden pa pridemo tja, povzemimo osnovne informacije o uporabljenih metodah.

Ultrafiltracija (UF) uporablja membrane z majhnimi porami za ločevanje beljakovin od manjših molekul, kot so laktoza, minerali in voda. Beljakovine zaradi svoje večje molekulske mase ostajajo na eni strani membrane, medtem ko manjše molekule prehajajo skoznjo.

• Prednosti: Učinkovito ločevanje beljakovin od manjših sestavin; ohranja funkcionalne in hranilne lastnosti beljakovin; širše uporabna in prilagodljiva metoda.
• Slabosti: Tveganje zamašitve membrane, kar zahteva redno čiščenje in vzdrževanje; je lahko draga pri velikih količinah ali visoko koncentriranih raztopinah.

Navzkrižna mikrofiltracija (Cross-Flow Microfiltration) je tehnološko naprednejša metoda in njena uporaba zagotavlja višjo kakovost in čistost končnega izdelka. Med procesom tekočina teče vzporedno s površino membrane, ne neposredno skoznjo. S tem se zmanjša tveganje zamašitve membrane, ker se večji delci nenehno „odplavljajo“ s površine membrane.

• Prednosti: manj dovzetna za zamašitev in zamazanje membrane kot tradicionalna filtracija; učinkovita za ločevanje večjih delcev, kot so maščobe in bakterije; boljša za ohranjanje strukture in funkcionalnosti beljakovin.
• Slabosti: višji stroški opreme in vzdrževanja; manj učinkovita za ločevanje beljakovin od manjših molekul kot ultrafiltracija.

Ionska izmenjava vstopi v proces, če naj bi bil rezultat sirotkin izolat. Gre za proces, ki selektivno izolira specifične proteinske sestavine. Surova sirotka se pošlje skozi kolono, ki zbira proteine in jih loči na podlagi razlik v njihovem skupnem naboju. Preostanek (laktoza in minerali) se izpere in nadalje predela v drugo sestavino. Ionska izmenjava zbere vse funkcionalne in hranilne proteine v sirotki, vključno z bioaktivnimi proteini, kot so imunoglobulini in laktoferin. Nastali sirotkin protein ima zato manj maščobe in laktoze kot sirotkini koncentrati ter se na primer tudi bolje topi.

• Prednosti: Visoko selektivna za specifične beljakovine; učinkovita pri odstranjevanju nečistoč.
• Slabosti: Lahko denaturira nekatere beljakovine; zahteva specifične pogoje za vsako vrsto beljakovin.

Vir: agropur.com

Hidroliza je biokemični proces, pri katerem se dolge verige aminokislin v sirotkinem koncentratu razgradijo na krajše peptidne verige. Hidroliza se izvaja z encimi, kislinami ali alkalijami. Encimska hidroliza je najpogosteje uporabljena metoda, ker je bolj specifična in prijaznejša do beljakovin.

Dolžina hidrolize je lahko različna in vpliva na stopnjo razgradnje beljakovin ter lastnosti končnega izdelka.

• Prednosti: izboljša prebavno dostopnost in biološko aktivnost beljakovin; zmanjšanje alergenega potenciala nekaterih beljakovin; omogoča ustvarjanje specifičnih peptidov s ciljnimi funkcionalnimi lastnostmi.
• Slabosti: lahko pride do denaturacije (spremembe strukture) beljakovin, kar vpliva na njihove funkcionalne lastnosti; proces hidrolize je lahko drag zaradi potrebe po encimih ali kemikalijah; možne spremembe v okusu in vonju končnega izdelka.

Zelo priljubljena oblika obdelave je t. i. Čisti sirotkin izolat (Clear Whey Isolate), ki se izdeluje z acidifikacijo in čiščenjem sirotkinega proteina pri nizkem pH. Protein se nato pogosto hidrolizira za doseganje višje biološke dostopnosti z razgradnjo in skrajšanjem peptidnih vezi. Poenostavljeno rečeno, lahko si predstavljamo, da se beljakovine „predprebavijo” že med procesom.

Višje stopnje tehnološkega procesa imajo nalogo skoraj popolnoma odstraniti odvečne maščobe in ogljikove hidrate in tako doseči višjo vsebnost proteina v 100 g čistega prahu. Izrazito skrajšanje peptidnih vezi omogoča lažjo absorpcijo peptidov beljakovin v krvni obtok. Čisti protein. Pri čistem proteinu imaš prednost, da ne diši po mleku in odlično osveži.

Ultrafiltracija in navzkrižna mikrofiltracija ter ionska izmenjava so fizikalne metode, ki se osredotočajo na ločevanje beljakovin na podlagi velikosti molekul. Nasprotno pa je hidroliza kemični proces, ki spreminja strukturo samih beljakovin. Izbira metode je odvisna od želenih lastnosti končnega izdelka in specifičnih potreb proizvodnega procesa.

Četrti korak: pretvorba tekočine v prah

Proces sušenja pri izdelavi sirotkinega koncentrata je ključna faza, med katero se tekoča oblika sirotke pretvarja v obliko prahu, primerno za dolgoročno skladiščenje, enostavno distribucijo in morebitno nadaljnjo predelavo (npr. dodajanje okusa). Najbolj razširjena in najpogosteje uporabljena metoda je razpršilno sušenje (spray drying).

Ta tehnološki proces vključuje razpršitev koncentrirane tekoče sirotke v vroč zrak v sušilni komori. Molekule vode iz kapljic koncentrata hitro izhlapijo, s čimer nastane izdelek v obliki prahu. Razpršilno sušenje omogoča hitro in učinkovito izhlapevanje molekul vode in ohranja visoko kakovost beljakovin. Ta proces je občutljiv na toplotno regulacijo, zato sta temperatura in vlažnost ves čas strogo nadzorovani, da ne pride do toplotne denaturacije beljakovin.

V zadnji fazi je prah z avtomatskim pakirnim strojem stehtan v vreče, najpogosteje po 25 kg, in skladiščen. Za izvoz se vreče zložijo na paleto in pripravijo za transport do obrata, ki se specializira za dodajanje okusa in prepakiranje v potrošniška pakiranja.

Vir: proteinfactory.com

Peti korak: dodajanje okusa, proizvodnja in pakiranje

V petem koraku poteka sekundarna predelava. Na vhodu gre za bel prah brez okusa, na izhodu pa protein dobi obliko, kakršno poznamo - je z okusom, sladkan, ima barvo in je zapakiran v potrošniško pakiranje, najpogosteje v vrečke ali posode v najrazličnejših gramaturah od 400-2000 g.

Dodajanje okusa in sladkanje

Tvoj priljubljen okus proteina zagotavljajo bodisi umetne bodisi naravne arome, barvila in sladila. Da se vse sestavine nato dobro zmešajo v šejkerju, je pogosto treba dodati tudi povsem neškodljiv lecitin (najpogosteje sojin ali sončnični). V nekaterih primerih se proteinom doda tudi sredstvo proti sprijemanju - npr. silicijev dioksid, ki prepreči grudičenje ali zmanjša penjenje v primeru čistega sirotkinega izolata.

Vse sestavine za okus se proteinu dodajo v določenem razmerju glede na preference razvojnega oddelka znamke, ki vzorce med iskanjem najboljšega okusa sproti pokuša in testira - vsaj bi morali. Ko okus in topnost ustrezata, se začne proizvodnja.

Proizvodnja in pakiranje

Osnovna surovina in sestavine za okus se nato dobesedno nasujejo v t. i. homogenizator, ki si ga lahko predstavljaš kot velik mešalnik. Vrtenje v različnih smereh zagotovi, da je nastala sipka mešanica resnično homogenizirana in da se vse dodane sestavine s čisto sirotkino osnovo dobro premešajo. Tako se zagotovi, da vsak odmerek proteina v pakiranju okusi enako, če ga zmešaš s priporočeno količino vode ali mleka. Iz homogenizatorja se mešanica nato pakira v potrošniška pakiranja glede na izbrano gramaturo. Nato je izdelek spet postavljen na paleto in prepeljan v skladišče znamke. Iz skladišča je po spletnem naročilu pripravljen, zapakiran in prepeljan na prevzemno mesto ali k tebi domov s tvojo izbrano storitvijo.

Vir: homogenizer.cz

 

Zaključek: izbira in kakovost sirotkinih proteinov

Osnova velike večine sirotkinih proteinov je sirotkin koncentrat, izolat, čisti izolat ali hidrolizat. Ta osnova je kakovostno popolnoma identična ali zelo podobna. Zelo visoki standardi za proizvodnjo in kakovost teh surovin namreč veljajo za vse proizvajalce osnovne surovine enako. In prav zato mleka različnih znamk okusijo prav tako enako ali zelo podobno in imajo podobno hranilno sestavo.

Razlog je ta, da so primarno kmetijstvo, zlasti mlekarska industrija, in njeni izdelki eden izmed najpomembnejših in najstrože nadzorovanih sektorjev v celotni Evropski uniji, izhodna kakovost pa je jasno definirana in standardizirana.

To pa ne velja za sekundarno predelavo pri proizvodnji aromatiziranih sirotkinih proteinov, med katero se zelo kakovostni surovini dodajajo arome različnih, pogosto slabših kakovosti. Gre predvsem za umetna sladila, arome in barvila.

---

Viri:

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