KASEIN

Kasein je hlavní bílkovinou kravského mléka a tvoří asi 80 % celkového obsahu bílkovin, z nichž zbytek,
přibližně 20 %, tvoří syrovátkové nebo sérové bílkoviny.
Kasein je základní složkou běžného sýra. Při výrobě sýrů se kasein vysráží působením syřidlových enzymů a vzniká koagulum složené z kaseinu, syrovátkových bílkovin, tuku, laktózy a minerálních látek mléka.
Komerční kasein se vyrábí z odstředěného mléka jedním ze dvou obecných způsobů – srážením kyselinou nebo koagulací syřidlem. Vícestupňovým promýváním ve vodě se musí odstranit co nejvíce tuku, syrovátkových bílkovin, laktózy a minerálních látek, které snižují kvalitu kaseinu i jeho trvanlivost. Sušený, správně vyrobený kasein má poměrně dobrou trvanlivost a používá se hlavně v potravinářském a chemickém průmyslu.

Typy kaseinu

Kasein se obvykle dělí na následující typy:

Sýřeninový kasein, získaný enzymatickým srážením
Kyselý kasein, získaný okyselením odstředěného mléka na izoelektrický bod (pH 4,6 – 4,6).7)

Kromě těchto dvou hlavních typů existují další komerčně dostupné významné kaseinové produkty, jako jsou:

Ko-srážedlo, vyrobené zahřátím odstředěného mléka na vysokou teplotu a následným vysrážením komplexu kasein/sýrová bílkovina, obvykle chloridem vápenatým.

Ko-precipitát obsahuje také syrovátkové bílkoviny a vápník.

Kaseináty, obvykle kaseinát sodný, získaný z kyselého kaseinu rozpuštěného v hydroxidu sodném

Vliv suroviny

Pro výrobu kvalitního kaseinu musí být surovina, odstředěné mléko, kvalitní. Pokud měly bakterie čas působit na bílkoviny v mléce v důsledku změny kyselosti, ovlivní to barvu a konzistenci kaseinu, který získá šedavou barvu a hladší konzistenci. Nadměrné zahřátí mléka před srážením nejenže způsobí různorodé interakce mezi složkami laktózy, kaseinu a syrovátkové bílkoviny, ale také dodá kaseinu žlutou nebo v nejhorším případě nahnědlou barvu.
Pro výrobu kaseinu dobré bakteriologické kvality bez vysokého tepelného ošetření odstředěného mléka může pasterační zařízení obsahovat také mikrofiltrační zařízení (MF). Aby byly splněny vysoké požadavky na kvalitu kaseinu určeného pro použití v potravinářském průmyslu, musí být výrobní linka nejen pečlivě naplánována již od příjmu mléka, ale musí být také pečlivě kontrolováno ošetření a manipulace se surovinou před touto fází.

Sýřeninový kasein

Pro výrobu sýřeninového kaseinu se používá odstředěné mléko, které se obvykle pasteruje při teplotě 72 °C po dobu 15 až 20 sekund, stejně jako jiné druhy kaseinu. Malá množství tuku jsou na úkor kvality. Proto je důležité, aby bylo mléko účinně odděleno.
Obrázek 20.1 ukazuje různé fáze výroby syřidlového kaseinu. Syření probíhá pomocí enzymu chymosinu v syřidle. Mléko se po krátkou dobu zahřívá a poté se ochladí na teplotu přibližně 30 °C. Poté se přidá syřidlo. Po 15 až 20 minutách se vytvoří gel. Ten se rozřízne a koagulum se míchá při zahřátí na teplotu asi 60 °C. Vysoká teplota je nutná k deaktivaci enzymu. Doba vaření je přibližně 30 minut.

Praní šarže

Po dosažení konečné teploty se syrovátka odsaje a zbývající kasein se ještě v kádi promyje vodou, aby se odstranily syrovátkové bílkoviny, laktóza a sůl. Promývání probíhá ve dvou nebo třech fázích při teplotě 45 až 60 °C.
Po odpuštění vody se kasein dále odvodňuje na sítech nebo separátorech. Poté se suší horkým vzduchem, dokud obsah vody není
12 %, a nakonec se rozemele na prášek. Teplota sušení závisí na použité metodě. Při dvoustupňovém sušení je teplota v prvním stupni 50 – 55 °C a ve druhém stupni asi 65 °C.
Kasein ze syrovátky by měl být bílý nebo mírně nažloutlý. Tmavší barva je známkou nižší kvality a může být způsobena příliš vysokým obsahem laktózy.

Kontinuální praní

Kasein rennet se původně vyráběl v dávkách ve speciálních kaseinových tancích, ale v současné době se používají i kontinuální procesy. V kontinuálním zařízení dochází k odvodnění syrovátky před tím, než kasein projde dvěma nebo třemi pracími nádržemi s míchadly. Odvodnění se obvykle provádí v dekantační odstředivce, aby se snížila spotřeba prací vody. Kasein se odvodňuje mezi jednotlivými fázemi praní buď na šikmých statických sítkách, nebo v dekantérech. Po opuštění promývacích stupňů prochází směs vody a kaseinu dalším dekantérem, aby se před konečným sušením vypustilo co nejvíce vody.
Ve velkovýrobě se koagulace kaseinu stále provádí dávkově s vypočítaným počtem kaseinových kádí vyprazdňovaných postupně, aby se napájelo kontinuální odvápňovací a promývací zařízení.
Praní probíhá v protiproudu, který využívá vodu hospodárněji než souběžné praní. Při druhém systému se spotřebuje jeden litr vody na litr odstředěného mléka, zatímco při protiproudém mytí je zapotřebí pouze asi 0,3-0,4 litru vody na litr odstředěného mléka. Počet fází mytí závisí na požadavcích na výrobek. Minimem jsou dva stupně. Čerstvá voda se dodává pouze v posledním stupni. Po vyprání se kasein odvodní v dekantéru na obsah sušiny 45-40 %. Po vysušení, například ve vibrační sušárně, se kasein rozemele na velikost částic odpovídající 40, 60 nebo 80 okům a zabalí se do pytlů. (Mesh = počet řádků síta na palec; 40 mesh tedy odpovídá 0,64 mm.)

Kyselý kasein

Mléko se okyselí na izoelektrický bod kaseinu, který se považuje za pH 4,6, ale je posunutý přítomností neutrálních solí v roztoku a může být kdekoli v rozmezí od pH 4,0 do pH 4,8. Mléko se okyselí na izoelektrický bod kaseinu. Izoelektrický bod je stupeň, kdy koncentrace hydroniových iontů neutralizuje záporně nabité kaseinové micely, což vede ke srážení (koagulaci) kaseinového komplexu. Takové okyselení může být provedeno biologicky nebo přídavkem minerální kyseliny, např. kyseliny chlorovodíkové (HCl) nebo kyseliny sírové (H2SO4).

Biologické okyselení – mléčný kasein

Mikrobiologickým okyselením vzniká mléčný kasein. Mléko se pasterizuje a zchladí na 27-23 °C. Poté se přidá mezofilní zákys, který neprodukuje plyn. Okyselení na požadované pH trvá přibližně 15 hodin. Pokud je proces kysání příliš rychlý, může vést k problémům, jako je nerovnoměrná kvalita a snížená výtěžnost kaseinu. Obvykle se používají velké nádrže, protože vyprázdnění nádrže může trvat tak dlouho, že se stupeň prokysání může lišit.
Po dosažení požadované kyselosti se mléko promíchá a zahřeje na 50 až 55 °C v deskovém výměníku tepla. Po krátkém zadržení se pokračuje v úpravě – promývání a sušení – prakticky stejně jako u syřidlového kaseinu.

Minerální okyselení – kyselý kasein

Mléko se zahřeje na požadovanou teplotu, přibližně 32 °C. V případě, že se mléko zahřeje na požadovanou teplotu, mléko se vysuší. Poté se přidá minerální kyselina, aby se pH mléka zvýšilo na 4,3 – 4,6. Kyselina se přidá do mléka. Po kontrole pH se mléko zahřeje na 40 – 45 °C v deskovém výměníku tepla a udržuje se asi dvě minuty, kdy se vytvoří hladké agregáty kaseinu. Aby se před zahájením praní odstranilo co nejvíce syrovátky, projde směs syrovátky a kaseinu dekantérem. Tímto způsobem je pro praní zapotřebí méně vody.
Obrázek 20.2 ukazuje vývojový diagram technologické linky pro výrobu kyselého kaseinu. Jak je vidět, zařízení navazující na acidifikaci je téměř totožné se zařízením používaným pro výrobu syřidlového kaseinu.
Před opuštěním zařízení lze oddělit syrovátku a prací vodu a kaseinový kal se shromažďuje v nádrži. Po smíchání s roztokem louhu se kasein rozpustí a poté se znovu smísí s odstředěným mlékem určeným k výrobě kaseinu.
Po odvodnění se kyselý kasein rozemele a zabalí do pytlů.
Je třeba zmínit také techniku výroby kyselého kaseinu vyvinutou francouzskou firmou Pillet.
Po předehřátí na 32 °C se odstředěné mléko okyselí a zavede do koagulační jednotky (obrázek 20.3). Koagulace je dokončena po zahřátí na přibližně 45 °C přímým vstřikem páry. Po odvlhčení v dekantéru následuje protiproudé praní v jedné nebo dvou speciálně navržených pracích věžích (obrázek 20.4).
Před sušením ve vibrofluidizační jednotce se kasein odvodňuje v dekantéru.

Ko-srážedlo

Ko-srážedlo obsahuje prakticky všechny bílkovinné frakce mléka.
Po přidání malého množství chloridu vápenatého nebo kyseliny do odstředěného mléka se směs zahřeje na 85 až 95 °C a při této teplotě se udržuje po dobu 1 až 20 minut, aby došlo k interakci mezi kaseiny a syrovátkovými bílkovinami. Srážení bílkovin z ohřátého mléka se pak provádí řízeným přidáváním roztoku chloridu vápenatého (za vzniku vysokovápenatého koprecipitátu) nebo zředěné kyseliny (za vzniku středněvápenatého nebo nízkovápenatého koprecipitátu v závislosti na množství přidané kyseliny a pH výsledné syrovátky). Sýřenina se následně promyje a buď vysuší za účelem získání zrnitých, nerozpustných ko-srážedel, nebo se rozpustí v alkáliích, jak je popsáno u metod výroby kaseinátů, za účelem získání rozpustných nebo „dispergovatelných“ ko-srážedel.

Kaseinát

Kaseinát lze definovat jako chemickou sloučeninu kaseinu a lehkých kovů, např. monovalentního sodíku (Na+) nebo divalentního vápníku (Ca++).
Kaseináty lze vyrábět z čerstvě vysrážené („mokré“) kyselé kaseinové sraženiny nebo ze suchého kyselého kaseinu reakcí s některým z několika zředěných roztoků alkálií, jak je uvedeno na obrázku 20.5.

Kaseinát sodný

Nejčastěji používanou zásadou při výrobě kaseinátu sodného je roztok hydroxidu sodného (NaOH) o síle 2,5 M nebo 10 %. Potřebné množství NaOH je obvykle 1,7 – 2,2 % hmotnostních sušiny kaseinu, aby bylo dosaženo konečného pH, obvykle přibližně 6,7.
Mohou být použity i jiné zásady, například hydrogenuhličitan sodný nebo fosforečnany sodné, ale jejich potřebné množství i cena jsou vyšší než u NaOH. Proto se obvykle používají pouze pro specifické účely, například při výrobě citrátových kaseinátů.
Velmi vysoká viskozita roztoků kaseinátu sodného o střední koncentraci omezuje jejich obsah sušiny pro sprejové sušení na přibližně 20 %.
Ohledně postupů zpracování je třeba zmínit, že doba rozpouštění přímo souvisí s velikostí částic a že zmenšení velikosti částic před přidáním hydroxidu sodného spíše než po něm vede k rychlejší reakci. V důsledku toho se sýřenina před přidáním alkálií protáhne koloidním mlýnem.
Po konečném promytí kaseinu se sýřenina může odvodnit na přibližně 45 % sušiny a poté se znovu smíchá s vodou (na 25-30 % sušiny) před vstupem do koloidního mlýna. Teplota vznikající suspenze by měla být nižší než 45 °C, protože bylo zjištěno, že rozemletá tvarohovina může při vyšších teplotách opět srážet. Obecně se suspenze shromažďuje v opláštěné nádrži opatřené účinným míchadlem a rovněž začleněné do cirkulačního systému s velkokapacitním čerpadlem.
Přídavek zředěných alkálií musí být pečlivě kontrolován s cílem dosáhnout konečného pH přibližně 6,7. S výhodou se alkálie dávkuje do recirkulačního potrubí těsně před čerpadlo.
Po přidání alkálie do suspenze je důležité co nejrychleji zvýšit teplotu na 60 – 75 °C, aby se snížila viskozita.
Doba rozpouštění kaseinátu sodného připraveného v dávkách je obvykle 30 – 60 min.
Pro účinnou atomizaci musí mít roztok kaseinátu sodného při přívodu do rozprašovací sušičky konstantní viskozitu. Běžnou praxí je minimalizovat viskozitu předehřátím roztoku na 90 – 95 °C těsně před rozprašovacím sušením.

Kaseinát vápenatý

Příprava kaseinátu vápenatého se řídí stejnými obecnými zásadami jako u kaseinátu sodného, s několika důležitými výjimkami. Roztoky kaseinátu vápenatého jsou náchylné k destabilizaci zahříváním, zejména při hodnotách pH nižších než 6.
Zjistilo se, že během procesu rozpouštění probíhá reakce mezi kyselým kaseinovým tvarohem a hydroxidem vápenatým mnohem pomaleji než mezi tvarohem a hydroxidem sodným. Aby se zvýšila rychlost reakce mezi kaseinem a hydroxidem vápenatým, může se kasein nejprve zcela rozpustit v amoniaku. Poté se přidá hydroxid vápenatý v roztoku sacharosy a roztok kaseinátu vápenatého se suší na válcích. Většina amoniaku se během tohoto procesu odpaří.

Další kaseináty

Kaseinát hořečnatý byl v literatuře krátce zmíněn.
Sloučeniny kaseinu s hliníkem byly připraveny pro lékařské použití nebo pro použití jako emulgátor v masných výrobcích.
Mezi deriváty kaseinu s obsahem těžkých kovů, které byly použity hlavně pro léčebné účely, patří deriváty obsahující stříbro, rtuť, železo a vizmut. Kaseináty železa a mědi byly rovněž připraveny iontovou výměnou pro použití v kojeneckých a dietetických výrobcích.

Extrudovaný kaseinát sodný

Kaseinát sodný je možné vyrábět z kaseinu za přítomnosti omezeného množství vody pomocí extruzních technik.
Některé evropské společnosti zabývající se extruzním vařením – Werner & Pfleiderer GmbH (Německo), Clextral (Francie) a několik dalších – uvádějí dobré výsledky výroby kaseinátu sodného extruzním vařením.
Většina publikovaných informací uvádí jako výchozí materiál suchý kasein. Přidáním vody a alkálií se vytvoří směs pro extruzi. Směs kaseinu a vody může mít obsah vlhkosti
10-30 %.
Extrakční technika používaná při výrobě kaseinátů se pravděpodobně stane vysoce konkurenceschopnou s tradiční vsádkovou technikou.
Dále bylo extruzní zpracování testováno také při výrobě kyselého kaseinu ze sušeného odstředěného mléka. J Fichtali a F R van der Vort provedli zkoušky v pilotním zařízení na MacDonald College McGillovy univerzity v kanadském Quebecu. Výsledky svých pokusů (1990) shrnují takto:
„Naše počáteční práce na výrobě kyselé sýřeniny ze sušeného odstředěného mléka (SOM) extruzním zpracováním ukázaly, že je třeba vynaložit podstatně větší úsilí na vývoj procesu, aby se vyrobil kvalitní výrobek. Spojené státy, Kanada a Evropské hospodářské společenství se občas potýkají s chronickým nadbytkem mléka, jehož značné množství se zpracovává na sušené odstředěné mléko. Úpravou podmínek extruzního procesu, studiem koagulace s vysokým obsahem sušiny a optimalizací koagulačních a promývacích kroků lze extruzí vyrábět kyselý kasein přijatelné kvality. Tento proces je kontinuální, kontrolovatelný, využívá sušené mléko s vysokým obsahem sušiny a může snížit nároky na pracovní sílu a podlahovou plochu ve srovnání s konvenčními procesy. Tento materiál může sloužit jako surovina pro další přeměnu extruzí na kaseinát sodný, o kterém bude pojednáno v následujícím článku.“

Použití kaseinů a kaseinátů

Renetový kasein

Renetový kasein je produkt odlišný od kyselého kaseinu. V průmyslu se používá hlavně při výrobě umělých látek z kategorie plastů. Kasein polymerizovaný s formalínem je známý jako galalit a syntetická vlákna kaseinu jsou známá jako lanital. Navzdory velké nabídce různých plastů, které galalitu přímo konkurují, existuje stále určitá poptávka po kaseinu pro výrobu galalitu. Malé množství syřidlového kaseinu se také používá jako surovina pro tavené sýry. Syřidlový kasein je nerozpustný ve vodě.