MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2011 PETRA NOVOTNÁ 1

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav technologie potravin Syrovátka a její vyuţití v potravinářském průmyslu Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Táňa Lužová Vypracovala: Petra Novotná Brno 2011

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Syrovátka a její vyuţití v potravinářském průmyslu vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne:... podpis:..

PODĚKOVÁNÍ Chtěla bych poděkovat slečně Ing. Táni Lužové za odborné vedení, cenné rady a připomínky, které mi poskytovala v průběhu vypracování bakalářské práce a také za její trpělivost.

ABSTRAKT Syrovátka nachází široké uplatnění zejména v potravinářském průmyslu. Tato bakalářská práce se zabývá využitím syrovátky a jejich složek v potravinářství, ale i ostatních průmyslových oblastech jako je farmaceutický průmysl, kosmetický průmysl a krmivářství. První polovina práce je věnována chemickému složení syrovátky a základním technologickým operacím při jejím zpracováním. Ve druhé části jsou stručně popsány možnosti zužitkování syrovátky a syrovátkových produktů při výrobě potravin, krmiv, léčiv a kosmetických výrobků. Klíčová slova: sladká syrovátka, kyselá syrovátka, syrovátkové bílkoviny, laktóza ABSTRAKT Whey is widely used especially in the food industry. This bachelor work deals with the use of whey and its components in the food, but also other industries such as pharmaceuticals, cosmetics and feed industries. The first half of the work is devoted to the chemical composition of whey and basic technological operations during processing. The second section briefly describes the options for utilization of whey and whey products in food, feed, pharmaceuticals and cosmetics. Keywords: sweet whey, acid whey, whey proteins, lactose

OBSAH 1 ÚVOD... 8 2 CÍL PRÁCE... 9 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED... 10 3.1 Typy syrovátky a její sloţení... 10 3.1.1 Mléčný cukr... 10 3.1.2 Bílkoviny syrovátky... 11 3.1.2.1 Beta-laktoglobulin... 11 3.1.2.2 Alfa-laktalbumin... 12 3.1.2.3 Sérový albumin... 12 3.1.2.4 Imunoglobuliny... 12 3.1.2.5 Minoritní bílkoviny... 12 3.1.3 Dusíkaté látky nebílkovinné povahy... 13 3.1.4 Tuk... 13 3.1.5 Kyseliny... 13 3.1.6 Popeloviny... 13 3.1.7 Vitamíny... 13 3.2 Zpracování syrovátky... 15 3.2.1 Úprava syrovátky před zpracováním... 15 3.2.2 Zahušťování a sušení syrovátky... 16 3.2.2.1 Zahušťování odpařováním... 16 3.2.2.2 Krystalizace laktózy... 16 3.2.2.3 Demineralizace... 17 3.2.2.4 Sušení... 18 3.2.3 Tepelná denaturace bílkovin... 18 3.2.4 Fermentace syrovátky a permeátu... 19 3.2.4.1 Produkce biomasy... 19 3.2.4.2 Produkce etanolu... 20 3.2.4.3 Produkce bioplynu... 20 3.2.4.4 Výroba organických kyselin... 20 3.2.4.5 Výroba enzymů... 21 3.2.4.6 Výroba polysacharidů... 22 3.2.4.7 Výroba fermentovaných nápojů... 22 3.3 Moderní separační metody... 23 3.3.1 Membránové procesy... 23 3.3.2 Elektrodialýza... 24 3.3.3 Chromatografické postupy... 25 3.3.3.1 Iontoměničová chromatografie... 25 3.3.3.2 Gelová chromatografie... 26 3.3.3.3 Afinitní chromatografie... 26 3.3.4 Postupy úpravy bílkovinného koncentrátu... 26 3.3.4.1 Mikropartikulace (MP)... 26 3.3.4.2 Texturizace syrovátkových bílkovin... 27 3.3.4.3 Příprava gelů... 27 3.3.4.4 Enzymové modifikace... 28

3.4 Syrovátkové produkty... 29 3.4.1 Sušená syrovátka... 29 3.4.2 Demineralizovaná syrovátka... 30 3.4.3 Deproteinovaná syrovátka... 30 3.4.4 Laktóza a produkty z laktózy... 30 3.4.4.1 Glukózo-galaktózový sirup... 31 3.4.4.2 Laktulóza... 31 3.4.4.3 Laktitol... 31 3.4.4.4 LBA lactobionic acid... 31 3.4.4.5 Tagatóza... 31 3.4.4.6 Galaktooligosacharidy (GOS)... 32 3.4.5 Tepelně denaturovaná bílkovina (laktalbumin)... 32 3.4.6 Koncentrát a izolát syrovátkových bílkovin... 32 3.4.7 Syrovátkový tuk... 33 3.5 Vyuţití syrovátky a syrovátkových produktů při výrobě potravin... 34 3.5.1 Výroba sýrů... 34 3.5.1.1 Ricotta... 35 3.5.1.2 Mysost... 35 3.5.1.3 Technologické pokroky ve výrobě syrovátkových sýrů... 36 3.5.2 Výroba nápojů... 36 3.5.2.1 Sortiment syrovátkových nápojů na trhu... 37 3.5.3 Využití syrovátky v mlékárenském průmyslu... 38 3.5.3.1 Aplikace syrovátky do mléka a mléčných nápojů... 38 3.5.3.2 Aplikace složek syrovátky do mražených krémů... 39 3.5.3.3 Aplikace složek syrovátky do jogurtů... 39 3.5.4 Využití syrovátky v pekařském průmyslu... 40 3.5.4.1 Výhody aplikace složek syrovátky v pekárenské výrobě... 40 3.5.4.2 Náhrada vajec v pekařských výrobcích... 41 3.5.5 Aplikace složek syrovátky do cereálních snacků... 41 3.5.6 Využití syrovátky v masném průmyslu... 42 3.5.6.1 Analogy masa... 43 3.5.7 Využití syrovátky ve výživě kojenců... 43 3.5.8 Fólie ze syrovátky... 45 3.6 Vyuţití syrovátky ke krmným účelům... 46 3.7 Vyuţití syrovátky ve farmaceutickém průmyslu... 47 3.7.1 Význam syrovátkových bílkovin ve farmacii... 47 3.7.1.1 Imunitní systém a chronické choroby... 47 3.7.1.2 Kardiovaskulární choroby... 48 3.7.1.3 Gastrointestinální trakt... 48 3.7.1.4 Protirakovinné účinky... 48 3.7.2 Význam laktózy ve farmacii... 48 3.8 Vyuţití syrovátky v kosmetickém průmyslu... 50 4 ZÁVĚR... 51 5 LITERATURA... 52 6 SEZNAM ZKRATEK... 58

1 ÚVOD Syrovátka byla náhodně objevena už 6 000 let před n. l., kdy se samovolně oddělila ze zkyslého kravského mléka. Již Hippokrates ve 4. století před n. l. pronesl motto: Dovolte potravinám, aby se staly vaším lékem, a ocenil posilující účinky syrovátky. Také staří sýraři u sýrařské vany říkávali: Jedna sklenice syrovátky denně a nepotřebuješ doktora a ještě zkrásníš. Syrovátka obsahuje asi 50 % sušiny mléka a dá se říct, že je to ta lepší polovina mléka po té, co se oddělí tuk a kaseinové bílkoviny. V mlékárenské velkovýrobě však byla dlouho pouhým odpadem a bez užitku se likvidovala, nebo se používala jako součást krmiv pro hospodářská zvířata. Později se začala využívat i v lidské výživě. S rostoucí výrobou sýrů, včetně tvarohů a kaseinů, rostla a stále roste i výroba syrovátky. Enviromentální znepokojení související s vysokou biochemickou spotřebou kyslíku a také snaha o maximální efektivnost výroby přinutily mlékárenské odborníky a vědce hledat nové technologie pro zpracování syrovátky a nalézt nová uplatnění pro vznikající produkty. Vývoj membránových procesů výrazně přispěl k využití jednotlivých složek ze syrovátky. V současné době nachází syrovátka uplatnění prakticky ve všech odvětvích potravinářského průmyslu. Z cenových důvodů stále více nahrazuje sušené odstředěné mléko, a to zejména ve východních zemích, kde postrádají živočišné bílkoviny. Syrovátkové bílkoviny jsou dnes vysoce oceňovány pro vysokou nutriční hodnotu a všestranné funkční vlastnosti u řady potravinových výrobků. Laktóza, tvořící hlavní součást sušiny syrovátky, se uplatňuje v kojenecké výživě, cukrovinkách a pekařských výrobcích, nebo jako tabletovací prostředek ve farmacii či složka fermentačních médií. Na významu také nabývají deriváty laktózy (laktulóza, galaktooligosacharidy), které se používají v moderních potravinách a farmaceutických výrobcích jako prebiotika pro zlepšení zdraví a střevní mikroflóry. Jednotlivé složky syrovátky se využívají především v potravinářském průmyslu a krmivářství, ale také ve farmaceutickém průmyslu, kosmetickém průmyslu a v dalších průmyslových odvětvích. V této souvislosti je dobré si uvědomit, jak významným zdrojem a cennou surovinou syrovátka je. 8

2 CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce je shromáždění a utřídění poznatků z dostupných literárních pramenů týkající se syrovátky a jejího využití v potravinářském průmyslu a ostatních odvětvích průmyslu. 9

3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Typy syrovátky a její sloţení Syrovátka vzniká při výrobě sýrů, tvarohu a kaseinu z mléka. Typ syrovátky závisí na způsobu srážení bílkovin mléka a podle toho v praxi rozlišujeme sladkou, kyselou a kaseinovou syrovátku. Sladkou syrovátku získáme srážením kaseinových bílkovin enzymovým syřidlem při výrobě sýrů. Kyselá syrovátka vzniká při výrobě čerstvých sýrů a tvarohu, kdy se kaseinové bílkoviny mléka vysráží kyselinou mléčnou, produkovanou bakteriemi mléčného kysání. Srážením kaseinových bílkovin pomocí minerálních kyselin při výrobě kaseinátů pak odpadá jako vedlejší produkt kaseinová syrovátka (KLEIBEUKER, 2006). Syrovátka obsahuje 5,5 6,5 % sušiny, což představuje asi polovinu sušiny mléka. V sušině je ze všech složek nejvíce zastoupena laktóza (asi 70 80 % sušiny), dále bílkoviny (asi 10 % sušiny), minerální látky a nebílkovinné dusíkaté látky (celkem asi 11 % sušiny). Zbývající podíl je tvořen tukem (asi 1 % sušiny), kyselinami, vitaminy, minerálními a stopovými prvky. Obsah jednotlivých složek v syrovátce značně kolísá v závislosti na složení mléka, ale především na použitých podmínkách ve výrobním procesu. Kyselá syrovátka obsahuje menší množství laktózy, jelikož se část laktózy mění na kyselinu mléčnou. Vlivem kyselejšího prostředí obsahuje zvýšený podíl rozpuštěného vápníku a tím i celkový vyšší obsah solí (SUKOVÁ, 2006). Tab. 1: Průměrné složení neupravené syrovátky (KLEIBEUKER, 2006). Sloţka (%) Sladká Kyselá Kaseinová syrovátka syrovátka syrovátka Sušina (%) 6,20 5,70 6,10 Laktóza (%) 4,80 4,60 4,70 Bílkoviny (%) 0,75 0,30 0,50 Tuk (%) 0,05 0,01 0,01 Popeloviny (%) 0,60 0,80 0,90 ph 6,10 4,60 4,40 3.1.1 Mléčný cukr Laktóza tvoří hlavní část sušiny syrovátky, a to 70 80 %. Nachází se zde ve dvou izomerních formách jako nehygroskopická alfa-laktóza a hygroskopická beta-laktóza. Beta-laktóza způsobuje hygroskopičnost sušené syrovátky. 10

Laktóza je disacharid skládající se ze dvou hexóz: D-glukózy a D-galaktózy. Ty vytvářejí pomocí β-glykosidické vazby 4-O-β-D-galactopyranosyl-D -glukopyranózu (Obr. 1). Obr. 1: Strukturní vzorec laktózy (McSWEENEY et FOX, 2009). Působením vysokých teplot je laktóza nestálá, při teplotě 130 C začíná žloutnout a při teplotě nad 170 C vzniká hnědý laktokaramel. Za přítomnosti bílkovin se hnědnutí začíná projevovat již při teplotě 70 C. Toto hnědnutí není způsobeno degradací laktózy, ale dusíkatými i bezdusíkatými organickými barvivy hnědé až černé barvy tzv. melanoidy. Melanoidy jsou konečné produkty tzv. Maillardových reakcí mezi redukujícími cukry a aminoskupinami aminokyselin (FORMAN et al., 1979). 3.1.2 Bílkoviny syrovátky Jsou nejvýznamnější součástí syrovátky vzhledem k jejich vysoké biologické hodnotě (FORMAN et al., 1979). Celkový obsah bílkovin tvoří sérové bílkoviny (asi 90 %) a kasein (asi 10 %). Sérové bílkoviny jsou obsaženy v syrovátce téměř ve stejném množství jako v původním mléce. Jejich obsah se může lišit v závislosti na tepelném ošetření mléka před srážením a na dalších podmínkách výroby. Sérové bílkoviny jsou tříděny na albuminy, které se pak dělí na alfa-laktalbumin, beta-laktoglobulin a sérový albumin. Dále globuliny, což je skupina protilátek pocházejících z krve dojnice, které se pro svůj ochranný charakter označují jako imunoglobuliny. Mléčný albumin je vzhledem ke skladbě aminokyselin podobný vaječnému a krevnímu albuminu, neobsahuje ale fosfor (SUKOVÁ, 2006). 3.1.2.1 Beta-laktoglobulin Je hlavní bílkovinou syrovátky a na celkovém obsahu syrovátkových bílkovin se podílí asi 50 %. Skládá se ze 162 aminokyselin, jeho molekulová hmotnost je 18 277 11

a je známo 7 genetických variant. Izoelektrický bod je při ph 5,12 (FORMAN et al., 1996). Beta-laktoglobulin má vysokou nutriční hodnotu. Z aminokyselin převažuje lysin, valin, cystein a cystin. K denaturaci dochází již při teplotě kolem 65 C (LUKÁŠOVÁ et al., 1999). 3.1.2.2 Alfa-laktalbumin Podílí se na celkovém obsahu syrovátkových bílkovin asi 25 % a je to nejvíce zastoupená bílkovina v mateřském mléce. Ze všech syrovátkových bílkovin má největší termolabilitu (LUKÁŠOVÁ et al., 1999). Obsahuje 123 aminokyselin a jeho molekulová hmotnost je 14 175, izoelektrický bod nastává při ph 4,2 4,5 (FORMAN et al., 1996). Alfa-laktalbumin obsahuje ze všech známých přírodních aminokyselin největší množství tryptofanu (HOLEC et al., 1989). 3.1.2.3 Sérový albumin Bovinní sérum albumin je imunologicky totožný s albuminem krevního séra. Skládá se z 582 aminokyselin a má vysokou molekulovou hmotnost 66 267. Izoelektrický bod je při ph 4,7 4,9 (FORMAN et al., 1996). Je významným zdrojem cysteinu, který je důležitý pro syntézu glutationu v játrech (SUKOVÁ, 2006). 3.1.2.4 Imunoglobuliny Jedná se o heterogenní skupinu proteinů, které v kravském mléce dělíme do 4 skupin: IgG1, IgG2, IgM a IgA. Převažující jsou IgM a IgG imunoglobuliny. Zajišťují ochranu imunitního systému, proto je jejich zvýšená koncentrace v mlezivu (LUKÁŠOVÁ et al., 1999). Mlezivo (kolostrum) je nezralé mléko produkované mléčnou žlázou těsně před porodem a několik dní po porodu (ZIMÁK, 1991). 3.1.2.5 Minoritní bílkoviny Součástí sérových bílkovin je i proteázo-peptonová frakce, laktoferrin a transferrin. Kromě toho jsou v syrovátce přítomny i bílkoviny membrán tukových kuliček (SUKOVÁ, 2006). 12

3.1.3 Dusíkaté látky nebílkovinné povahy Nebílkovinné dusíkaté látky (zvláště puriny) tvoří 5-7 % veškerého dusíku v mléce a většina těchto látek přechází také do syrovátky. Vzhledem k nízkému obsahu nezpůsobují obtíže při procesech zpracování syrovátky. Jedná se o nepatrné příměsi močoviny, kyseliny močové, xantinu, hypoxantinu, guaninu, adeninu, kreatinu, kreatininu, allantoinu, rhodanidů, amoniaku a některých samostatných aminokyselin (FORMAN et al., 1979). 3.1.4 Tuk Syrovátka obsahuje jen nepatrné množství tuku. Větší množství tuku přechází do syrovátky při výrobě vysokotučných sýrů (např. niva, ementál, moravský bochník, aj.), takovou syrovátku musíme odstředit (ŠIMAN, 1950). 3.1.5 Kyseliny V syrovátce můžeme nalézt především kyselinu citronovou, mléčnou, propionovou, octovou a mravenčí. Spektrum a množství těchto kyselin závisí na aktivitě a složení mikroflóry mléka. Proto kyselá syrovátka z výroby tvarohu má nejvyšší obsah kyselin. V největším množství je zastoupena kyselina citronová (asi 150 mg/100 g) a kyselina mléčná (40-120 mg/100 g). Kaseinová syrovátka může obsahovat malé množství minerálních kyselin, např. kys. chlorovodíkovou (SUKOVÁ, 2006). 3.1.6 Popeloviny Minerální látky jsou přítomny v syrovátce ve formě anorganickýh (0,6-0,7 %) a organických (0,1-0,4 %) sloučenin. Jsou to převážně soli kyseliny fosforečné, uhličité, citronové, mléčné, příp. chlorovodíkové a sírové (SUKOVÁ, 2006). Při síření se část vápníku váže s kaseinem na parakasein, který přechází do sýra. Při výrobě tvarohu přechází vápník z kaseinu do syrovátky ve formě nerozpustné soli. Kromě vápníku obsahuje popel syrovátky ještě draslík, sodík, hořčík, železo, síru a chlor. Tyto prvky se vyskytují v syrovátce ve formě kationtů a aniontů (FORMAN et al., 1979). 3.1.7 Vitamíny Z mléka přecházejí do syrovátky především vitamíny rozpustné ve vodě a jen malé množství vitamínů rozpustných v tucích. Jejich obsah v syrovátce není zanedbatelný. 13

Významně jsou zastoupeny vitamíny skupiny B (B 1, B 2, B 5 = kyselina panthotenová, B 6, B 12 ), vitamín C, A a biotin. Jejich kvantitativní zastoupení udává tabulka č. 2 (SUKOVÁ, 2006). Tab. 2: Obsah vitamínů v sušené syrovátce (SUKOVÁ, 2006). SLADKÁ KYSELÁ VITAMÍN SYROVÁTKA SYROVÁTKA Vitamín A (MJ/100 g) 69,00 240,00 47,00 165,00 Vitamín C (mg/100 g) 0,00 9,08 0,00 0,99 Vitamín B6 (mg/100 g) 0,36 0,77 0,46 0,96 Vitamín B12 (µg/100 g) 0,90 3,70 0,15 3,70 Vitamín E (µg/100 g) 14,00 249,00 19,00 169, 00 Vitamín B1 (mg/100 g) 0,38 0,59 0,35 0,58 Vitamín B2 (mg/100 g) 1,70 2,92 1,57 2,35 Kyselina pantotenová (mg/100 g) 8,20 15,00 7,00 14,20 Biotin (µg/100 g) 8,20 15,00 7,00 14,20 Niacin (mg/100 g) 0,76 2,03 0,61 2,51 Kyselina listová (µg/100 g) 4,20 30,00 14,60 59,40 Cholin (mg/100 g) 62,00 173,00 60,00 171,00 14

3.2 Zpracování syrovátky Syrovátka již dávno není brána jako odpad, ale jako levná surovina, ze které lze získat vhodným technologickým postupem hodnotné produkty. Mezi tradiční způsoby zpracování syrovátky můžeme zařadit fermentaci, odpařování a sušení syrovátky a srážení bílkovin po tepelné denaturaci (SUKOVÁ, 2006). Obr. 2: Produkce sušené syrovátky (VARNAM et SUTHERLAND, 2001). 3.2.1 Úprava syrovátky před zpracováním Zachycenou syrovátku je nutno před dalším zpracováním upravit. Jedná se především o zbavení syrovátky nežádoucích zbytků sraženiny v podobě sýrařského prachu a o odstranění tuku pomocí odstředění. Tyto složky by negativně ovlivňovaly průběh dalšího zpracování (poškozování a ucpávání membrán) a dále by ovlivňovaly kvalitu a stabilitu produktů. Za účelem zachování chemické a mikrobiologické jakosti syrovátky se provádí pasterace, obvykle při 72 78 C po dobu 15 20 s (SUKOVÁ, 2006). Poté se ochladí pod 10 C a takto upravená syrovátka je připravena k dalšímu využití (HOLEC et al., 1989). 15

3.2.2 Zahušťování a sušení syrovátky Zahušťování a sušení syrovátky se provádí z několika důvodů. Jednak k prodloužení trvanlivosti a snížení nákladů na skladování a přepravu nebo k vyvolání krystalizace laktózy (WIT, 2000). 3.2.2.1 Zahušťování odpařováním Tekutá syrovátka o původním obsahu sušiny asi 6,5 % se zahušťuje na 50 60 % sušiny. Nejčastěji se používá vícestupňová vakuová odparka s klesajícím filmem skládající se ze soustavy vyhřívaných trubek, ve kterých protéká syrovátka v tenkém filmu. Teplota varu syrovátky v jednotlivých stupních se pohybuje od 70 do 40 C působením stále vyššího sníženého tlaku (WIT, 2000). Brýdové páry, které vznikají při odpařování vody ze syrovátky, jsou ochlazovány v kondenzátoru. Část těchto par je v termokompresoru stlačována a znovu vrácena do procesu (FORMAN et al., 1996). Má-li se zahuštěná syrovátka dále sušit na pokud možno nehygroskopický prášek, nesmí teplota s ohledem na možnou denaturaci bílkovin překročit hodnotu 75 C. Naopak u syrovátky, která je určena pro pekařské účely, se doporučuje odpařování při teplotě nad 75 C. Konstrukce odparek musí být taková, aby nedocházelo k problémům s pěněním syrovátky. K pěnění má sklon především sladká syrovátka. Rovněž je důležitá konstrukce odparky s ohledem na stupeň zahuštění, jelikož se stupněm zahuštění stoupá velmi rychle viskozita (zejména při sušině nad 45 %). Ze zahuštěné syrovátky nad 65 % sušiny může vypadnout laktóza ve formě krystalů již během odpařování (FORMAN et al., 1976). Zahušťování syrovátky lze také provést pomocí membránového postupu - reverzní osmózy, kdy membránou prakticky neprojdou žádné složky sušiny, ale pouze molekuly vody. Výhodou tohoto procesu je, že nedochází k denaturaci bílkovin. Maximální zahuštění, které lze dosáhnout, je asi 25 % (VARNAM et SUTHERLAND, 2001). 3.2.2.2 Krystalizace laktózy Vysoký obsah laktózy v syrovátce představuje problémy při zahušťování a sušení. Stabilní alfa-hydrát laktózy přechází vlivem zahřívání syrovátky ve vakuu při teplotě 65 C na alfa-anhydrid, který je silně hygroskopický a způsobuje lepivost syrovátkového prášku (FORMAN et al., 1979). 16

Proto se téměř vždy před sušením syrovátky provádí předkrystalizace laktózy např. při teplotě 20 35 C, po dobu 2 24 h v krystalizačním tanku a následně se směs rychle ochladí. Asi 70 % laktózy se vyloučí ve formě malých krystalů, které nezpůsobují obtíže při rozprašovacím sušení. Tím dojde ke snížení podílu silně hygroskopické bezvodé alfa-laktózy. Tradičním postupem je šaržová krystalizace, modernější a rychlejší je krystalizace kontinuální (SUKOVÁ, 2006). Krystalizace se rovněž využívá jako tradiční způsob oddělení laktózy ze syrovátky. Syrovátka je v odpařovací stanici zahušťována při teplotě 70 C na sušinu 58-62 %. Krystalizace laktózy je vyvolána řízeným chlazením a setím, vyloučené krystaly jsou oddělovány od matečného louhu v dekantační odstředivce a následně jsou promývány a sušeny. Matečný louh je znovu zahušťován a sušen jako delaktózovaná sušená syrovátka (VARNAM et SUTHERLAND, 2001). 3.2.2.3 Demineralizace Soli v syrovátce mají nežádoucí účinek na senzorické vlastnosti syrovátkových produktů a brání tak jejich širšímu využití v potravinářství a krmivářství. V delaktózované syrovátce (matečný louh) dojde na úkor snížení obsahu laktózy na 50 % sušiny ke zvýšení obsahu bílkovin ze 13 na 28 % a obsah solí se zvýší na 20 % z celkového obsahu sušiny (WIT, 2000). Odsolování syrovátky se provádí pomocí dvou dobře zavedených metod - elektrodialýzy a iontoměničů. Rozdíl mezi těmito metodami je v selektivitě. Iontoměniče jsou neselektivní a odstraňují jednomocné i vícemocné soli. Lze jimi prakticky odstranit 100 % solí. Zatímco podstatně levnější elektrodialýza více závisí na pohyblivosti iontů v elektrickém poli a přednostně odstraňuje jednomocné soli. Proto se elektrodialýza využívá především při zpracování velkých objemů syrovátky na syrovátkové produkty, u kterých se nevyžaduje vysoké procento odsolení (VARNAM et SUTHERLAND, 2001). Demineralizaci lze také částečně provést pomocí membránové separační techniky nanofiltrace. Velikost pórů použitých membrán je 10-2 10-3 mm. Syrovátka proudí pod tlakem přes povrch membrán - retentát, a membránou prochází monovalentní ionty a malé molekuly - permeát (EARLY, 1998). 17

3.2.2.4 Sušení Jednotlivé složky syrovátky, zejména bílkoviny, jsou citlivé na teplotu. Pro zachování jejich fyzikálně-chemických vlastností a nutriční hodnoty se vyžaduje sušení při nižších teplotách. Proveditelnost sušícího procesu závisí na viskozitě koncentrátu, která je dána koncentrací jednotlivých složek syrovátky, teplotou, stupněm krystalizace laktózy, množstvím a velikostí krystalů, obsahem bílkovin a jejich denaturací, dále typem syrovátky a ph (SUKOVÁ, 2006). Kromě laktózy způsobuje problémy při rozprašovacím sušení také kyselina mléčná, která je velmi hygroskopická, lepí se na strojní zařízení a snižuje tím účinnost sušícího procesu. Proto se před sušením u kyselé syrovátky provádí neutralizace nejčastěji hydroxidem vápenatým nebo hořečnatým (EARLY, 1998). K sušení zahuštěné syrovátky, permeátu či bílkovinného koncentrátu (WPC) se většinou používají rozprašovací sušárny s diskovým nebo tryskovým rozprašovačem, doplněné vibrofluidním žlabem, kde probíhá dosoušení a chlazení sušeného materiálu. Získaná sušená syrovátka má přibližně 95 % sušiny, jejíž složení závisí na stupni úpravy (čištění, demineralizace, či odstranění dalších složek) před vlastním sušením (SUKOVÁ, 2006). Složení základních sušených syrovátkových produktů uvádí tabulka č. 3 (KLEIBEUKER, 2006). Tab. 3: Složení sušených syrovátkových produktů (KLEIBEUKER, 2006). Sloţení (%) Izolát syrovátkových bílkovin Koncentrát syrovátkových bílkovin Deproteinovaná sušená syrovátka = permeát Demineralizovaná sušená syrovátka Delaktózovaná sušená syrovátka Laktóza Sušina 94,0 96,0 96,0 97,0 95,0-98,5 96,0 97,0 95,0-97,5 99,5-99,8 Laktóza 1,5-3,0 10,0 60,0 75,0 85,0 75,0 80,0 48,0 54,0 99,0-99,5,0 Bílkoviny 92,0 96,0 30,0 80,0 2,0 6,0 13,0 15,0 18,0 27,0 0,1-0,3 Tuk 0,1-1,0 3,0 8,0 0,2-0,5 1,0-1,5 1,5-2,5 - Popeloviny 2,0 3,0 4,0 8,0 7,0 10,0 1,0 5,0 15,0 22,0 0,1-0,3 ph 5,8-6,1 4,0-6,5 5,8-6,2 6,5 5,5-6,5 6,0 3.2.3 Tepelná denaturace bílkovin Jedním z možných postupů oddělení bílkovin ze syrovátky je jejich srážení teplem v kyselém prostředí, popř. pouze přídavkem kyselin. Tohoto postupu se také využívá při výrobě laktózy, jelikož přítomnost bílkovin ztěžuje krystalizaci mléčného cukru. 18

Působením různé kombinace času a teplot (75 100 C, 15 20 min) koagulují nejprve imunoglobuliny, sérumalbumin, beta-laktoglobulin a nakonec alfa-laktalbumin, protézo-peptonová frakce je nejodolnější a z větší části nepodléhá koagulaci. U procesu Centri Whey od firmy Alfa Laval, který umožňuje kontinuální zpracování syrovátky, se syrovátka nejdříve vyhřeje ve výdržníku na denaturační teplotu po dobu 15 20 min. Poté se upravuje hodnota ph přídavkem kyseliny mléčné nebo chlorovodíkové na hodnotu izoelektrického bodu (ph 4,6 4,7). Vysrážené bílkoviny se oddělí v samoodkalovací odstředivce a získaný bílkovinný koncentrát o 15 % sušině může být využit jako cenný vedlejší produkt. Například ve Francii se bílkoviny z procesu Centri Whey přidávají v množství 10 12 % do kaseinů při výrobě polotvrdých a měkkých sýrů bez ovlivnění kvality (FORMAN et al., 1979). 3.2.4 Fermentace syrovátky a permeátu Syrovátka díky vysokému obsahu sacharidů kolem 4,5 %, popř. koncentrát syrovátky nebo permeát mohou být využity jako vhodný substrát pro řadu mikroorganismů (bakterie, kvasinky či plísně), které při svém růstu vytvářejí různé cenné látky. Přítomná laktóza, popř. po rozštěpení na glukózu a galaktózu, může sloužit jako substrát pro produkci biomasy využívané především ke krmným účelům, k produkci etanolu, bioplynu, organických kyselin, vitamínů, enzymů, polysacharidů nebo k výrobě nápojů, v závislosti na použitém mikroorganismu a nastavených podmínkách během procesu fermentace (ph, koncentrace laktózy, bílkovin, solí a aerobní či anaerobní vedení procesu). Podmínky v průběhu kvasného procesu je třeba někdy upravit, někdy je zase nutné postupné odebírání produktu (SUKOVÁ, 2006). 3.2.4.1 Produkce biomasy K výrobě biomasy se ve světě využívá řada postupů, např. systém SAV a BELL z Francie a systém INCO z Polska. V systému SAV se laktóza prokvašuje jen z 50 % celkového obsahu na kvasničnou biomasu pomocí kvasinek rodu Torulopsis. Konečný produkt, obsahující jak kvasinky, tak zbylou sušinu syrovátky, se následně zahušťuje a suší. U systému INCO se v syrovátce prokvašuje veškerý přítomný mléčný cukr. U postupu BELL se ze syrovátky nejdříve oddělí bílkoviny, které se suší a jsou určeny především pro lidskou výživu. Syrovátka zbavená bílkovin se potom prokvašuje kvasinkami rodu Saccharomyces. Po skončení fermentace se kvasinky separují, 19

promývají a suší. Prokvašený produkt obsahuje až 50 % bílkovin. Má uplatnění především v dietetice a farmacii (FORMAN et al., 1979). 3.2.4.2 Produkce etanolu Anaerobní fermentací syrovátky či permeátu z ultrafiltrace lze pomocí bakterií (např. Streptococcus lactis), kvasinek (např. Kluyveromyces marxianus, Saccharomyces cerevisiae) i plísní (Aspergillus niger) vyrobit etanol. Většina mikroorganismů však není schopna přímé konverze laktózy na etanol, proto se provádí hydrolýza laktózy enzymem beta-galaktosidázou. Jedním z možných postupů výroby etanolu je proces Carbery. Permeát z ultrafitrace je přečerpán do jedné z osmi kvasných nádob, do kterých se přidají kvasinky. Během fermentace se v každé kvasné nádobě nastavují takové podmínky, které zajišťují rychlou a efektivní přeměnu laktózy na etanol. Po skončení fermentace (asi za 24 hodin) se kvasinky odstraní a mohou být využity v dalším procesu. Tímto postupem se získá 3,5 4,2 % V/V etanolu potravinářské kvality a jeho destilát se dále zpracovává na lihoviny (OREOPOULOU et RUSS, 2007). 3.2.4.3 Produkce bioplynu Anaerobní digescí syrovátky nebo odpadních vod z mlékárenské výroby můžeme vyrobit bioplyn skládající se z asi 62 % metanu a 38 % oxidu uhličitého, který lze použít k výrobě tepla a elektrické energie či jako palivo do motorů (PORTEOUS, 2008). Z 220 000 000 l syrovátky tak můžeme získat 775 000 m 3 bioplynu (WAINWRIGHT, 1999). 3.2.4.4 Výroba organických kyselin Použitím bakterií mléčného kvašení (např. Lactobacillus casei, Lactobacillus helveticus) lze vyrábět ze syrovátky i permeátu kyselinu mléčnou, která se používá ve farmaceutickém, potravinářském i chemickém průmyslu jako okyselující a konzervační látka, případně může být využita jako substrát při výrobě biodegradabilních plastů (MIELENZ et al., 2008). V průběhu fermentace se vznikající kyselina mléčná neutralizuje uhličitanem vápenatým a po prokvašení se médium zahřeje, přefiltruje a filtrát se zahustí. Mléčnan vápenatý se přídavkem kyseliny sírové převede na kyselinu mléčnou, která se dále pro 20

potravinářské účely rafinuje křemelinou a hydroxidem barnatým. Tímto způsobem se asi 90 % laktózy přemění na kyselinu mléčnou s výtěžností 50 % z obsahu laktózy. Syrovátka obohacená o bílkovinné hydrolyzáty je vhodným substrátem pro kvasnou výrobu kyseliny propionové. Tato výroba je však časově náročná a z ekonomického hlediska je proto nutná instalizace značných objemových kapacit - fermentorů. Výtěžnost se pohybuje v závislosti na použitém kmenu, dodaných živinách, ph a době trvání fermentace v rozmezí 0,45-0,75 % (FORMAN et al., 1979). Syrovátkový permeát lze využít k produkci kyseliny octové, kdy se laktóza pomocí Kluyveromyces fragilis převede na alkohol, který je následně oxidován za spolupůsobení bakterií rodu Acetobacter na kyselinu octovou (JULIEN, 1985). Fermentací syrovátky lze rovněž získat kyselinu sukcinovou, která má široké uplatnění v potravinářství a farmaceutickém průmyslu, dále jako meziprodukt pro chemickou syntézu povrchově aktivních látek, detergentů, pro výrobu biologicky rozložitelných plastů, ale také jako složka krmiv. K její produkci se používá např. Actinobacillus succinogenes, který konvertuje laktózu přímo na kyselinu sukcinovou. Vedlejšími produkty fermentace jsou kyselina octová a mravenčí (MIELENZ et al., 2008). Syrovátka po hydrolýze může být vhodným substrátem pro výrobu esenciálních aminokyselin (lysin, kyselina glutamová) pomocí bakterií E. coli a Enterobacter (NAJAFPOUR, 2007). 3.2.4.5 Výroba enzymů Enzym laktáza štepí glykosidickou vazbu laktózy za vzniku glukózy a galaktózy. Využívá se například při výrobě mléčných výrobků pro jedince trpící laktózovou intolerancí. K produkci laktázy lze použít kultivaci kvasinek Zygosaccharomyces lactis a Kluyveromyces lactis i plísní Aspergillus niger (STRAATHOF et ADLERCREUTZ, 2000). Aerobní fermentací syrovátky lze získat proteolytické enzymy, které se využívají v různých průmyslových odvětvích (potravinářském, farmaceutickém, textilním a kožedělném průmyslu). Při výrobě orientálních potravin se používají ke změkčování a zvýšení stravitelnosti (EL-SHORA et METWALLY, 2008). 21

3.2.4.6 Výroba polysacharidů Syrovátkový permeát slouží jako vhodný substrát pro tvorbu extracelulárních mikrobiálních polysacharidů xantanů např. pomocí Xanthomonas campestris (FOX, 1997). 3.2.4.7 Výroba fermentovaných nápojů Ze syrovátky s obsahem solí i částečně odsolené či permeátu se vyrábí mnoho fermentovaných nápojů za použití mléčných bakterií nebo v kombinaci s kvasinkami (např. K. fragilis nebo S. pseudotropicalis). Po přídavku sacharózy do syrovátky lze fermentaci provádět kvasnicemi S. cerevisieae, které ale nefermentují laktózu, a tak zůstává v původním množství v nápoji. Fermentované nápoje obsahují jednak cenné složky syrovátky, ale i cenné produkty vznikající činností mikroorganismů (kyselina mléčná, těkavé kyseliny, enzymy, aromatické látky). Problémy však způsobuje příliš vysoký obsah solí a kyselin nebo např. nestabilita bílkovinného zákalu a proto jim musí být věnována pozornost při vývoji nápojů, tzn. při jejich míšení s ovocnými štávami, aromaty, apod. (SUKOVÁ, 2006). 22

3.3 Moderní separační metody Rozvoj nových technologií, především membránových procesů, gelové chromatografie a iontoměničů, umožňuje získat ze syrovátky mimořádně cenné produkty vysoké kvality a čistoty se specifickými vlastnostmi. Jaké vlastnosti a kvalitu bude mít konečný výrobek, se dá ovlivnit již při odvádění syrovátky ze sýrařské vany. Proto je třeba zacházet se syrovátkou jako s velmi cennou surovinou ve všech stupních zpracování (SUKOVÁ, 2006). 3.3.1 Membránové procesy Membránové technologie si získaly značnou oblibu ve zpracování syrovátky. Používají se nejen pro separaci jednotlivých složek a k zahušťování, ale vzhledem k neustálým pokrokům ve vývoji (především membrán a čerpadel) přichází v úvahu i získávání obtížně separovatelných složek. Membránové postupy se uplatňují především k výrobě bílkovinných koncentrátů a izolátů nebo izolovaných frakcí, které mají využití jako výživová složka do potravin pro sportovce, do dětské výživy, aj. Principem separace složek syrovátky je prostup části těchto látek semipermeabilní membránou s různou velikostí pórů. Látky, které projdou membránou, se označují jako permeát (rozpustné sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností). Zatímco ostatní zadržené složky se označují jako retentát (SUKOVÁ, 2006). Hnací silou dělícího procesu je hydrostatický tlak a syrovátka je hnána pod tlakem podél membrány, tzv. cross-flow filtrace. Mezi membránové postupy používané při zpracování syrovátky řadíme mikrofiltraci (MF), ultrafiltraci (UF), nanofiltraci (NF) a reverzní osmózu (RO), přičemž rozdíl mezi těmito postupy je především ve velikosti pórů membrán a použitých tlaků během procesu. Jednotlivé typy membránových technik a složení permeátu a retentátu ukazuje obrázek č. 3 (WARD, 2008). Použité membrány musí mít velkou separační účinnost, odpovídající permeabilitu, mechanickou pevnost, stabilitu vůči samovolné hydrolýze, odolnost proti čisticím prostředkům a musí být také snadno čistitelné. Zhotovují se z acetátu celulózy, nitrátu celulózy, PVC, teflonu, nylonu, polysulfonů, aj. V procesu se využívají dle tvaru membrán moduly s plochými membránami, moduly s paralelními deskami, trubkové moduly, moduly s dutými vlákny a moduly se spirálovitě vinutými plochými membránami (FORMAN et al., 1979). 23

Obr. 3: Membránové techniky používané při zpracování syrovátky (WARD, 2008). 3.3.2 Elektrodialýza Elektrodialýza je membránová metoda využívaná k odsolování syrovátky. V procesu se odstraňují z roztoku ionty za použití elektrického napětí a iontově selektivních membrán. V zařízení se střídají kationové a anionové membrány, mezi nimiž střídavě protéká syrovátka a vodný roztok solí. Jednotlivé ionty přecházejí pod vlivem napětí ze syrovátky do roztoku solí. Za normálních podmínek se takto odstraní ze syrovátky při každém průchodu soustavou membrán asi 10 % solí. Opakovaným průchodem se může odstranit až 90 % popelovin. Míra odsolení není pro všechny ionty stejná. Závisí na velikosti iontu a také na velikosti náboje. Nejvyšší je u draslíku, podstatně nižší je u vápníku (ZIMÁK, 1991). 24

3.3.3 Chromatografické postupy Ve zpracování syrovátky se chromatografické techniky používají k získávání proteinů, jejich frakcí, růstových faktorů a dalších cenných složek podle jejich specifických vlastností (náboj, relativní hydrofobicita, molekulová hmotnost). Velmi dobře známa je gelová filtrace dělící látky podle molekulové hmotnosti, iontoměničová chromatografie založená na rozdílu nábojů a afinitní chromatografie, která využívá specifických interakcí mezi molekulami (WIT, 2000). 3.3.3.1 Iontoměničová chromatografie Tato technika se již dříve uplatňovala k separaci bílkovin ze sladké syrovátky. Postup separace může vypadat následovně. Syrovátka se okyselí a smíchá s negativně nabitou umělou pryskyřicí. Bílkoviny, které získaly změnou ph kladný náboj, se váží na pryskyřici. Zbylé složky, které se nenavázaly (především tuk a laktóza), se vymyjí. Poté se zvýší hodnota ph za účelem uvolnění bílkovin, které se pak zahustí ultrafiltrací a sprejově suší. Získaný izolát bílkovin obsahuje veškerý beta-laktoglobulin (hlavní syrovátková bílkovina. Alfa-laktalbumin a některé imunoglobuliny se procesem ztratí (SUKOVÁ, 2006). Iontoměniče se používají i při odstraňování minerálních látek ze syrovátky a jsou schopny odstranit až 95 % z nich. Nevýhodou je však velká spotřeba regenerovaných chemikálií a vody (OREOPOULOU et RUSS, 2007). Kyselá syrovátka nebyla v minulosti dostatečně využívána, vzhledem k absenci účinných technik, které by zajistily její frakcionaci. Membránové procesy se uplatňují především k frakcionaci tekuté syrovátky z výroby sýrů. Nižší ph u kyselé syrovátky (asi 4,6) vede k ucpávání pórů membrán a tím k zastavení procesu. Proto americká mlékárenská asociace DMI (Dairy Management Inc.) sponzorovala výzkum zaměřený na získávání hodnotných složek z kyselé syrovátky. Nový postup je založen na iontoměničové chromatografii, kdy se kyselá syrovátka přivede do iontoměničové kolony, která zachytává všechny kladně nabité proteiny. Ze zachyceného materiálu se potom získává izolát syrovátkové bílkoviny (WPI), alfa - laktalbumin (ALA) nebo WPI zbavený ALA o vysoké čistotě. Procesem se odstraňují minerální látky, lipidy a kyselina mléčná, které ovlivňují senzorické vlastnosti a funkčnost bílkovinných frakcí. Výhodou tohoto procesu je také používání nenákladných pufrů potravinářské kvality, možnost uzpůsobení požadovanému objemu a vysoká výtěžnost produktu (KVASNIČKOVÁ, 2005). 25

3.3.3.2 Gelová chromatografie U gelové chromatografie probíhá dělení látek na nabobtnalých částicích gelu umístěných v koloně s mikroporézním dnem. Jako gel se používají například modifikované přírodní polymery na bázi dextranů (Sephadex) nebo syntetické polymery (BIO-GEL, Spheron). Vlastní dělící proces lze charakterizovat jako obrácenou filtraci. Složky s velkou molekulovou hmotností procházejí rychle mezizrnovým prostorem mezi nabobtnalými gelovými částicemi, zatímco složky o malé molekulové hmotnosti pronikají do struktury gelu a jsou déle zadržovány v koloně. Při dělení syrovátky tak nejdříve získáme frakce bílkovinných koncentrátů, potom roztok laktózy a roztok minerálních látek. V průmyslu se gelová filtrace využívá jako postup k dělení bílkovinných koncentrátů na frakce. V závislosti na použitém gelu můžeme například získat laktalbuminovou frakci, která se přidává do kojenecké výživy (FORMAN et al., 1979). 3.3.3.3 Afinitní chromatografie Proces separace u afinitní chromatografie je založen na vratných interakcích mezi dvěma biologicky aktivními látkami. Jedna z látek se váže jako ligand na matrix, druhá látka je obsažena v syrovátce a specificky se váže právě na onen ligand. Po odstranění nenavázaných látek promýváním se námi požadovaná látka eluuje vhodným roztokem. Tato technika se upatňuje k získávání růstových faktorů ze sladké syrovátky. Nejprve se provede mikrofiltrace pasterované syrovátky. Tím se odstraní tuk a malé částice. Poté je syrovátka vedena do katexové kolony za účelem odstranění hlavních proteinů při ph 6,5. Zbylá bílkovinná frakce je pak dělena afinitní chromatografií a požadované látky jsou eluuovány z heparinové kolony bikarbonátem amonným. Při tomto postupu tak získáme 0,1 mg růstových faktorů z 1 000 kg syrovátky (WIT, 2000). 3.3.4 Postupy úpravy bílkovinného koncentrátu Technologickými úpravami syrovátkových bílkovin se dále rozšiřuje spektrum jejich uplatnění (SUKOVÁ, 2006). 3.3.4.1 Mikropartikulace (MP) Mikropartikulace kombinuje tepelné a mechanické ošetření, kterým se koncentrát syrovátkových bílkovin (WPC) denaturuje a zpracovává. Takto lze upravit syrovátkové bílkoviny, aby vznikly částice podobné velikosti, jako mají tukové kuličky v mléce. 26

Vzniklý výrobek má v porovnání s WPC hustší krémovitou konzistenci a využívá se do odtučněných mléčných výrobků (např. sýra s 20 % tuku v sušině) pro dosažení podobného senzorického vjemu jako u tučných výrobků. Procesem APV LeanCreme lze upravit retentát získaný ultrafiltrací sladké i kyselé syrovátky. Ze sladké syrovátky se vyrobí LeanCreme Neutral bělavý krémový produkt s konzistencí kávové smetany. Na rozdíl od syrovátky má neutrální chuť a vůní. Z kyselé syrovátky se získá bílý krémový produkt LeanCreme Lactic s čistou nakyslou chutí podobnou podmáslí. Proces APV LeanCreme je založen na jediné operaci probíhající v kombinovaném tepelném výměníku (deskový výměník a výměník se stíraným povrchem). Díky tomu dojde k partikulaci dříve než nastane shlukování bílkovin. Tímto postupem se dosahuje rovnoměrné velikosti částic. Pro výrobu sýrů je optimální velikost kolem 5 μm, do jogurtů a mražených krémů 1 2 μm (SUKOVÁ, 2007). 3.3.4.2 Texturizace syrovátkových bílkovin Při texturizaci biomateriálu extruzí se bílkovina za určité teploty nechá změknout, aby se mohla extruzí formovat do jiných struktur. Texturované materiály vyrobené extruzí buď ze samostatných koncentrátů a izolátů syrovátkových bílkovin, nebo v kombinaci s dalšími složkami, mají nutriční efekt a příznivé funkční vlastnosti. Díky tomu jsou přidávány do snacků, pekařských výrobků, nápojů a dalších potravin. Dosažením vláknité žvýkatelné textury lze syrovátkové bílkoviny využít jako analogy masa (podobně jako sojové bílkoviny). Texturované syrovátkové bílkoviny mohou být také použity místo škrobů jako instantní zahušťovadla (SUKOVÁ, 2006) 3.3.4.3 Příprava gelů Za určitých teplot a podmínek prostředí lze z dispergovaných WPC a WPI vytvářet gely, které mohou nahradit jiné gelotvorné látky, například vaječný bílek a želatinu. Ty pak mohou částečně nebo úplně nahrazovat tradiční prostředky na úpravu viskozity a textury (např. v masných a mléčných výrobcích). Komplex vlastností syrovátkových bílkovin pro schopnost tvorby gelů je ovlivňován řadou parametrů procesu. Při zkoušení vlivu vysokotlakého ošetření na mléko s přídavkem WPI vznikly v závislosti na výši tlaku a na množství WPI gely s různou elasticitou. Místo vysokých teplot lze také syrovátkové gely vytvářet za přídavku solí při pokojové teplotě (SUKOVÁ, 2006). 27

3.3.4.4 Enzymové modifikace Ošetřením WPC pomocí různých enzymů lze dosáhnout příznivých nutričních a funkčních vlastností bílkovin. Například použitím enzymu Neutrase u WPC 80 se při teplotě 40 C dosáhlo 8 % hydrolýzy, což mělo pozitivní vliv na index nerozpustnosti, index dusíku syrovátkové bílkoviny a na hustotu. Viskozita se snížila a zlepšila se rozpustnost, emulgovatelnost a schopnost tvorby pěny. Podle patentu firmy Nestlé lze také po provedení asi 20 % hydrolýzy syrovátkových bílkovin snížit v dietních mléčných výrobcích alergenitu, která je problémem mléčných bílkovin (SUKOVÁ, 2006). 28

3.4 Syrovátkové produkty Mezi základní syrovátkové produkty patří koncentrát, sušená syrovátka, sušený permeát, koncentrát syrovátkových bílkovin, laktóza a další. Nejlepší uplatnění na trhu mají bílkovinné frakce jako surovina pro výrobu sýrů i jako funkční a výživový přídavek do potravin. Problém zůstává s uplatněním nadbytečného množství laktózy. Speciální syrovátkové produkty jako např. laktoglobuliny, laktalbuminy, laktoferrin, laktoperoxidáza, osteopontin, sfingomyelin, imunoglobuliny, tagatóza, laktulóza, glykomakropeptidy a glykooligosacharidy se vyznačují vysokou přidanou hodnotou. Tyto produkty tvoří na trhu jen nepatrný segment a jejich využitelnost závisí na technologickém rozvoji (SUKOVÁ, 2006). Na vývoj trhu s produkty ze syrovátky a laktózy v období let 2006-2010 se zaměřila společnost 3A Business Consulting, a to konkrétně na tyto výrobky: sušenou syrovátku, koncentráty syrovátkových bílkovin (WPC 35, WPC 80), izoláty syrovátkových bílkovin (WPI), hydrolyzáty syrovátkových bílkovin (WPH), frakce syrovátkových bílkovin, laktózu a laktózové deriváty. Podle výsledků zprávy společnosti se světová produkce syrovátky v roce 2006 odhaduje na 850 mil. t (v Evropě 400 mil. t, v USA 317 mil. t). V Evropě je trh zaměřen především na WPC 35, zatímco v USA na WPC 80 a WPI. Laktóza (asi 80 % produkce) se používá především do mléčné kojenecké výživy, masných výrobků, cukrovinek a pekařských výrobků. Zbytek připadá na farmaceutické účely. Na významu nabývají frakce syrovátkových bílkovin jako alfa-laktalbumin, IgG, galaktooligosacharidy (GOS) a také laktitol z laktózy. Produkce GOS roste ročně o 15 %, laktulózy o 1 až 4 % (ANONYM A, 2008). 3.4.1 Sušená syrovátka Sušením se prodlužuje trvanlivost syrovátky a snižují se náklady na její přepravu. Hladký průběh sušícího procesu a kvalita konečného produktu závisí na předchozí úpravě (odstranění sýrového prachu, pasterace, krystalizace laktózy, příp. demineralizace) před vlastním sušením (SUKOVÁ, 2006). Sušená syrovátka má uplatnění především jako krmivo pro drůbež a hospodářská zvířata, příp. se využívá jako přísada do mléčných, pekařských a cukrářských výrobků, suchých směsí a polévek (BAILEY, 1997). 29

3.4.2 Demineralizovaná syrovátka Odsolení syrovátky je nutné zejména při její aplikaci do výrobků kojenecké výživy, ale také při jejím využití v dalších potravinářských produktech (zmrzlina, pekařské a cukrářské výrobky) a krmivech. Hlavními odstraněnými ionty ze syrovátky jsou Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, HPO - 4, citráty a mléčnany. U přípravků určených pro kojence se vyžaduje více než 90 % snížení obsahu solí v syrovátce za pomocí iontoměničů (BRENNAN, 2006). Pro zkrmování je dostačující 60 % odsolení. Demineralizovaná syrovátka dále slouží jako zdroj, ze kterého se separují významné složky, nebo se zahušťuje a suší (SUKOVÁ, 2006). 3.4.3 Deproteinovaná syrovátka Část syrovátky, která zůstane po separaci bílkovin ultrafiltrací, se označuje jako permeát. Ultrafiltrace je poměrně nákladný postup, proto vhodné využítí permeátu výrazně přispívá k ekonomice celého procesu zpracování syrovátky. Zahuštěný permeát po předchozí demineralizaci slouží k výrobě laktózy, sladidel využívaných v cukrářských výrobcích a pivovarnictví, nebo se používá jako substrát pro fermentační procesy (BRITZ et ROBINSON, 2008). 3.4.4 Laktóza a produkty z laktózy Vzhledem k vysokému obsahu laktózy v sušině syrovátky a stále rostoucí produkci sýrů představuje její využití problém, o jehož řešení usiluje řada výzkumných pracovišť. Laktóza se odděluje krystalizací ze syrovátky nebo permeátu, ze kterého může být získána v poměrně čisté formě. Její uplatnění spočívá v kojenecké výživě, cukrovinkách, pečivu (pro dosažení hnědé barvy), dále jako tabletovací prostředek ve farmacii, složka fermentačních médií (např. při výrobě antibiotik) nebo se zpracovává na sirupy a jiné sacharidické deriváty. Výrobky obsahující laktózu jsou vhodné i pro diabetiky vzhledem k jejímu pomalému vstřebávání, což vede i k pomalému vzestupu glykémie. Laktóza má nižší glykemický index (GI = 45 50) než glukóza (GI = 100), ale vyšší než fruktóza, čehož lze využít i při regulaci hmotnosti (SUKOVÁ, 2006). 30

3.4.4.1 Glukózo-galaktózový sirup Glukózo-galaktózový sirup má třikrát větší sladivost než laktóza a vyrábí se buď kyselou hydrolýzou laktózy, nebo častěji pomocí enzymu beta-galaktosidázy. Produkt však nemůže cenově soutěžit s ostatními sladidly, jako např. sacharózový, fruktózový, sukralózový sirup nebo syntetickými sladidly (McSWEENEY et FOX, 2009). 3.4.4.2 Laktulóza Pravděpodobně nejvíce komerčně vyráběný derivát laktózy je laktulóza (disacharid, skládající se z galaktózy a fruktózy). Vyrábí se epimerizací glukózy v molekule laktózy na fruktózu v mírně alkalickém prostředí. Laktulóza má široké uplatnění např. jako prebiotikum nebo mírné laxativum (McSWEENEY et FOX, 2009). 3.4.4.3 Laktitol Karbonylová skupina laktózy může být redukována na laktitol (McSWEENEY et FOX, 2009). Laktitol je cukerný alkohol skládající se z galaktózy a sorbitolu, který se využívá jako náhrada cukru v tzv. sugar-free cukrovinkách, čokoládách, žvýkačkách, pekařských výrobcích a zmrzlině. Z medicínského hlediska má příznivý vliv na jaterní encefalopatii a zácpu (SMITH et CHARTER, 2010). 3.4.4.4 LBA lactobionic acid Zajímavým derivátem laktózy je kyselina 4-O-beta-galaktopyranosyl-D-glukonová (Lactobionic Acid = LBA). Tato látka se doposud vyráběla nákladným neenzymatickým chemickým postupem. Aliance Milky Way vyvinula nový enzymový přípravek LactoYield určený k 100 % přeměně laktózy na LBA, která je komerčně zajímavějším produktem. Kromě jejího uplatnění ve farmaceutických a kosmetických výrobcích se dá aplikovat i jako složka sýrů na pizzy, jako náhrada části sušiny při výrobě jiných sýrů nebo mražených krémů. Přídavek LBA při zpracování masa snižuje ztráty vody během zmrazování a rozmrazování (SUKOVÁ, 2009). 3.4.4.5 Tagatóza Monosacharid tagatózu lze získat konverzí galaktózové frakce laktózy v alkalickém prostředí. Lidským organismem je špatně absorbovatelná. Využívá se jako 31

nízkoenergetické sladidlo vhodné i pro diabetiky (až 92 % sladivost sacharózy) či jako prebiotikum. Vzhledem k vysokému laxativnímu účinku nebylo dříve její použití v potravinách evropskou legislativou povoleno, ale na žádost firmy Bioresco vydal Poradní výbor pro potraviny kladné stanovisko pro používání tagatózy. U potravin obsahující více než 15 g tagatózy na jednu porci a u nápojů s obsahem více než 1 % této látky je nutné zřetelně označit, že obsahují D-tagatózu a uvést upozornění: Nadměrná spotřeba může mít laxativní účinek (SUKOVÁ, 2006). 3.4.4.6 Galaktooligosacharidy (GOS) GOS jsou nestravitelné oligosacharidy (galaktotriázy obsahující 3 molekuly galaktózy), které se mohou získat z roztoků s vysokou koncentrací laktózy za využití galaktosyltransferázové aktivity enzymu beta-galaktosidázy. Jsou specificky přeměňovány bifidobakteriemi, proto se využívají jako prebiotika (SUKOVÁ, 2006). 3.4.5 Tepelně denaturovaná bílkovina (laktalbumin) Srážením bílkovin tepelnou denaturací z kyselého prostředí lze získat laktalbumin (syrovátkový bílek ) obsahující nejméně 80 % bílkovin. Tato metoda je k bílkovinám nešetrná. V závislosti na použité teplotě se liší míra denaturace bílkovin, a tím i jejich funkční vlastnosti a stravitelnost. Laktalbumin jé lépe stravitelný než kasein, ale díky jeho nízké rozpustnosti, zrnité textuře a často nevyhovující barvě má omezené uplatnění. Dříve se využíval jako nutriční přídavek do krmiv i potravin, příp. jako náhrada části mléka při výrobě sýrů (SUKOVÁ, 2006). 3.4.6 Koncentrát a izolát syrovátkových bílkovin Pomocí moderních separačních technik (ultrafiltrace, diafiltrace) lze připravit ze syrovátky koncentrát syrovátkových bílkovin (WPC) s obsahem 35 80 % bílkovin v sušině. WPC-35 připravený po odstředění syrovátky ultrafiltrací tedy obsahuje 35 % bílkovin v sušině a téměř stejné množství laktózy. Proto se často používá jako náhrada sušeného odstředěného mléka. WPC-50 se připravuje tak, že se k retentátu z ultrafiltrace přidá přibližně stejné množství vody a retentát je znovu veden přes ultrafiltrační membránu. Tím se znovu sníží obsah laktózy a minerálních látek. Tento promývací process se nazývá diafiltrace. Zvýšením objemu vody, určené k promývání, získáme WPC až o 80 % obsahu bílkovin v sušině. 32

Technologicky náročnější je proces výroby izolátu syrovátkových bílkovin (WPI), který využívá kombinace ultrafiltrace, diafiltrace a iontoměničů. WPI obsahuje vice než 90 % bílkovin v sušině (CHANDAN et al., 2008). Pro další využití syrovátkových bílkovin jsou důležité jejich konkrétní vlastnosti, a to jejich biologická využitelnost, rozpustnost, emulgační vlastnosti, šlehatelnost, aminokyselinové složení, apod. (SUKOVÁ, 2006). 3.4.7 Syrovátkový tuk Předpokladem prakticky všech způsobů zužitkování složek syrovátky je i využití syrovátkového tuku získaného odstředěním (obdobně jako mléčný tuk). Na odstředivce získá podobu syrovátkové smetany, která se dále zpracovává zmáselnění na syrovátkové máslo. Toto máslo se pak může dále využívat např. pro úpravu tuku v některých tavených sýrech (HOLEC et al., 1989). 33