CASEINA

La caseina è la principale proteina del latte vaccino, e comprende circa l’80% del contenuto proteico totale di cui il resto,
circa il 20%, sono le proteine del siero o del siero.
La caseina è il componente base del formaggio comune. Nel processo di produzione del formaggio, la caseina viene precipitata dall’azione degli enzimi del caglio, e si forma un coagulo composto da caseina, proteine del siero, grasso, lattosio e i minerali del latte.
La caseina commerciale è ottenuta dal latte scremato con uno dei due metodi generali – precipitazione mediante acido o coagulazione mediante caglio. Il grasso, le proteine del siero di latte, il lattosio e i minerali devono essere rimossi il più possibile con un lavaggio a più fasi in acqua, poiché riducono la qualità della caseina e la sua conservazione. La caseina essiccata, prodotta correttamente, ha una qualità di conservazione relativamente buona e viene usata principalmente nell’industria alimentare e chimica.

Tipi di caseina

La caseina viene solitamente divisa nei seguenti tipi:

• Caseina renetta, ottenuta per precipitazione enzimatica
• Caseina acida, ottenuta acidificando il latte scremato al punto isoelettrico (pH 4,6 – 4.7)

Oltre a questi due tipi principali, ci sono altri prodotti di caseina importanti disponibili in commercio, come:

• Co-precipitato, ottenuto riscaldando il latte scremato ad alta temperatura e poi precipitando il complesso caseina/proteine del siero, di solito con cloruro di calcio.

Il co-precipitato contiene anche proteine del siero di latte e calcio.

• Caseinati, comunemente caseinato di sodio, ottenuto da caseina acida dissolta in idrossido di sodio

Influenza della materia prima

Per produrre caseina di alta qualità, la materia prima, il latte scremato, deve essere di buona qualità. Se i batteri hanno avuto il tempo di agire sulle proteine del latte a causa di un cambiamento di acidità, questo influenzerà il colore e la consistenza della caseina, che acquisirà un colore grigiastro e una consistenza più liscia. Un riscaldamento eccessivo del latte prima della precipitazione non solo causerà interazioni assortite tra i costituenti del lattosio, della caseina e delle proteine del siero, ma darà alla caseina un colore giallo o, nel peggiore dei casi, marroncino.
Per produrre caseina di buona qualità batteriologica, senza un trattamento termico elevato del latte scremato, l’impianto di pastorizzazione può anche contenere un impianto di microfiltrazione (MF). Per soddisfare le elevate esigenze di qualità della caseina destinata all’industria alimentare, non solo la linea di produzione deve essere attentamente pianificata fin dalla ricezione del latte, ma anche il trattamento e la manipolazione della materia prima prima prima prima devono essere attentamente controllati.

Caseina presamica

Il latte scremato, normalmente pastorizzato a 72 °C per 15 – 20 secondi, è utilizzato per la produzione di caseina presamica, così come altri tipi di caseina. Piccole quantità di grasso sono dannose per la qualità. È quindi importante che il latte sia stato separato in modo efficiente.
La figura 20.1 mostra le varie fasi della produzione di caseina presamica. La cagliatura avviene con l’aiuto dell’enzima chimosina nel caglio. Il latte viene riscaldato per un breve periodo di tempo e poi raffreddato a circa 30 °C. Poi viene aggiunto il caglio. Dopo 15-20 minuti si forma un gel. Viene tagliato e il coagulo viene mescolato mentre viene riscaldato a circa 60 °C. L’alta temperatura è necessaria per disattivare l’enzima. Il tempo di cottura è di circa 30 minuti.

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Fig. 20.1

Linea di processo con lavaggio in controcorrente della caseina presamica.

1. Vasca per la produzione di caseina
2. Decanter
3. Vasca di lavaggio
4. Scaldatore
5. Essiccazione
6. Macinazione, setacciatura e insaccamento

Lavaggio della partita

Il siero viene scolato al raggiungimento della temperatura finale e la caseina rimanente, mentre si trova nella vasca, viene lavata con acqua per rimuovere le proteine del siero, il lattosio e il sale. Il lavaggio avviene in due o tre fasi a una temperatura compresa tra 45 e 60 °C.
Dopo lo scarico dell’acqua, la caseina viene ulteriormente disidratata in setacci o separatori. Viene poi essiccata con aria calda fino a quando il contenuto di acqua è
12%, e infine macinata in polvere. La temperatura di essiccazione dipende dal metodo utilizzato. In un processo di essiccazione a due stadi, la temperatura è di 50-55 °C nel primo stadio e di circa 65 °C nel secondo.
La caseina di caglio dovrebbe essere bianca o leggermente gialla. Un colore più scuro è un segno di qualità inferiore e può essere causato da un contenuto di lattosio troppo alto.

Lavaggio continuo

La caseina di caglio veniva originariamente prodotta in lotti in speciali vasche di caseina, ma oggi vengono utilizzati anche processi continui. In un impianto continuo, il drenaggio del siero avviene prima che la caseina passi attraverso due o tre vasche di lavaggio con agitatori. La disidratazione avviene normalmente in una centrifuga a decanter per ridurre il consumo di acqua di lavaggio. La caseina viene disidratata tra le fasi di lavaggio, su filtri statici inclinati o in decanter. Dopo aver lasciato le fasi di lavaggio, la miscela acqua/caseina passa attraverso un altro decanter per scaricare quanta più acqua possibile prima dell’asciugatura finale.
Nella produzione su larga scala, la coagulazione della caseina è ancora fatta in modo discontinuo con un numero calcolato di vasche di caseina svuotate in sequenza per alimentare l’impianto continuo di decantazione e lavaggio.
Il lavaggio avviene in controcorrente, che usa l’acqua in modo più economico del lavaggio simultaneo. Quest’ultimo sistema utilizza un litro d’acqua per litro di latte scremato, mentre nel lavaggio in controcorrente sono necessari solo circa 0,3 – 0,4 litri d’acqua per litro di latte scremato. Il numero di fasi di lavaggio dipende dai requisiti del prodotto. Due fasi sono il minimo. L’acqua fresca viene fornita solo nell’ultima fase. Dopo il lavaggio, la caseina viene disidratata in un decanter fino a un contenuto di DM del 45 – 40 %. Dopo l’essiccazione, per esempio in un essiccatore a vibrazione, la caseina viene macinata a una dimensione di particelle corrispondente a 40, 60 o 80 mesh e confezionata in sacchi. (Mesh = numero di linee di vagliatura per pollice; 40 mesh corrisponde quindi a 0,64 mm.)

Caseina acida

Il latte viene acidificato fino al punto isoelettrico della caseina, che si pensa sia pH 4,6, ma è spostato dalla presenza di sali neutri in soluzione e può essere ovunque in un intervallo che si estende da pH 4,0 a pH 4,8. Il punto isoelettrico è lo stadio in cui la concentrazione di ioni idronio neutralizza le micelle di caseina caricate negativamente, con conseguente precipitazione (coagulazione) del complesso di caseina. Tale acidificazione può essere effettuata biologicamente o tramite l’aggiunta di un acido minerale, ad esempio l’acido cloridrico (HCl) o l’acido solforico (H2SO4).

Acidificazione biologica – caseina di acido lattico

La caseina di acido lattico viene prodotta tramite acidificazione microbiologica. Il latte viene pastorizzato e raffreddato a 27 – 23 °C. Viene quindi aggiunto uno starter mesofilo che non produce gas. L’acidulazione al pH richiesto richiede circa 15 ore. Se il processo di acidificazione è troppo rapido, può provocare problemi come una qualità non uniforme e una resa ridotta di caseina. Di solito si usano serbatoi grandi, perché lo svuotamento del serbatoio può richiedere molto tempo e il grado di acidità può variare.
Quando l’acidità richiesta è stata raggiunta, il latte viene mescolato e riscaldato a 50 – 55 °C in uno scambiatore di calore a piastre. Dopo una breve attesa, il trattamento continuo – lavaggio e asciugatura – è praticamente lo stesso della caseina presamica.

Acidificazione minerale – caseina acida

Il latte viene riscaldato alla temperatura richiesta, circa 32 °C. Viene quindi aggiunto acido minerale per portare il pH del latte a 4,3 – 4,6. Dopo il controllo del pH, il latte viene riscaldato a 40 – 45 °C in uno scambiatore di calore a piastre e tenuto per circa due minuti, quando si formano aggregati lisci di caseina. Per rimuovere la maggior quantità possibile di siero prima di iniziare il lavaggio, la miscela siero/caseina viene fatta passare attraverso un decanter. In questo modo, è necessaria meno acqua per il lavaggio.
La figura 20.2 mostra un diagramma di flusso per una linea di processo per la produzione di caseina acida. Come si può vedere, l’impianto a valle dell’acidificazione è quasi identico a quello utilizzato per la produzione di caseina presamica.
Prima di lasciare l’impianto, il siero e l’acqua di lavaggio possono essere separati e il fango di caseina viene raccolto in un serbatoio. Quando viene mescolata con una soluzione di liscivia, la caseina si dissolve e viene poi rimescolata con il latte scremato destinato alla produzione di caseina.
Dopo la disidratazione, la caseina acida viene macinata e confezionata in sacchi.
Va menzionata anche la tecnica per la produzione di caseina acida sviluppata da Pillet, Francia.
Dopo il preriscaldamento a 32 °C, il latte scremato viene acidificato e introdotto in un’unità di coagulazione (Figura 20.3). La coagulazione è completata dopo il riscaldamento a circa 45 °C per iniezione diretta di vapore. La disidratazione in un decanter è seguita dal lavaggio in controcorrente in una o due torri di lavaggio appositamente progettate (Figura 20.4).
Prima di essere asciugata in un’unità vibro-fluidificata, la caseina viene disidratata in un decanter.

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Fig. 20.2

Linea di processo per la produzione di caseina acida.

1. Controllo del pH
2. Centrifuga decanter
3. Vasca di lavaggio
4. Scambiatore di calore
5. Essiccazione
6. Macinazione, setacciatura e insaccamento

Opzionale:

• 7. Recupero delle fini dal siero
• 8. Recupero delle fini dall’acqua di lavaggio
• 9. Scioglimento delle ammende
• 10. Stoccaggio del siero

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Fig. 20.3

Unità continua di coagulazione, cottura e sineresi per caseine lattiere, acide e presamiche (Pillet).

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Fig. 20.4

Torre di lavaggio della cagliata per caseine acide, acide e renette (Pillet).

Co-precipitato

Il co-precipitato contiene praticamente tutte le frazioni proteiche del latte.
Dopo l’aggiunta di piccole quantità di cloruro di calcio o acido al latte scremato, la miscela viene riscaldata a 85 – 95 °C e mantenuta a questa temperatura per un periodo di 1 – 20 minuti per permettere l’interazione tra le caseine e le proteine del siero. La precipitazione delle proteine dal latte riscaldato viene quindi effettuata mediante l’aggiunta controllata di una soluzione di cloruro di calcio (per produrre un coprecipitato ad alto contenuto di calcio) o di acido diluito (per produrre un coprecipitato a medio o basso contenuto di calcio, a seconda della quantità di acido aggiunto e del pH del siero risultante). La cagliata viene successivamente lavata e asciugata per produrre co-precipitati granulari e insolubili o dissolta in alcali come descritto per i metodi di fabbricazione dei caseinati per produrre co-precipitati solubili o “disperdibili”.

Caseinato

Il caseinato può essere definito come un composto chimico di caseina e metalli leggeri, ad esempio sodio monovalente (Na+) o calcio bivalente (Ca++).
I caseinati possono essere prodotti dalla cagliata di caseina acida appena precipitata (“umida”) o dalla caseina acida secca mediante reazione con una qualsiasi delle varie soluzioni diluite di alcali come indicato nella figura 20.5.

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Fig. 20.5

Passi fondamentali coinvolti nella produzione di caseinati essiccati a spruzzo o a rullo dalla cagliata di caseina acida o dalla caseina acida secca. Gli alcali possono essere idrossido di sodio, idrossido di potassio, idrossido di calcio o ammoniaca.

Caseinato di sodio

L’alcali più comunemente usato nella produzione di caseinato di sodio è la soluzione di idrossido di sodio (NaOH), con una forza di 2,5 M o 10 %. La quantità di NaOH richiesta è generalmente 1,7 – 2,2 % in peso dei solidi di caseina per raggiungere un pH finale, generalmente circa 6,7.
Altri alcali, come il bicarbonato di sodio o i fosfati di sodio, possono essere utilizzati, ma le quantità richieste e il loro costo sono entrambi superiori a quelli del NaOH. Sono quindi generalmente utilizzati solo per scopi specifici, come nella produzione di caseinati citrati.
La viscosità molto elevata delle soluzioni di caseinato di sodio di moderata concentrazione limita il loro contenuto di solidi per l’essiccazione a spruzzo a circa il 20%.
Per quanto riguarda le procedure di lavorazione, va detto che il tempo di dissoluzione è direttamente correlato alla dimensione delle particelle e che la riduzione della dimensione delle particelle prima dell’aggiunta di idrossido di sodio piuttosto che dopo produce una reazione più rapida. Di conseguenza, la cagliata viene passata attraverso un mulino colloidale prima dell’aggiunta di alcali.
Dopo il lavaggio finale della caseina, la cagliata può essere disidratata a circa il 45% di solidi e poi rimescolata con acqua (al 25 – 30% di solidi) prima di entrare nel mulino colloidale. La temperatura dello slurry emergente dovrebbe essere inferiore a 45 °C poiché è stato osservato che la cagliata macinata può riagglomerarsi a temperature più elevate. Generalmente lo slurry viene raccolto in un serbatoio incamiciato dotato di un efficace agitatore e integrato in un sistema di circolazione con una pompa ad alta capacità.
L’aggiunta di alcali diluiti deve essere attentamente controllata con lo scopo di raggiungere un pH finale di circa 6,7. Preferibilmente, l’alcali viene dosato nella linea di ricircolo appena a monte della pompa.
Una volta che l’alcali è stato aggiunto allo slurry, è importante aumentare la temperatura il più rapidamente possibile a 60 – 75 °C, per ridurre la viscosità.
Il tempo di dissoluzione del caseinato di sodio preparato in lotti è solitamente 30 – 60 min.
Per un’atomizzazione efficiente, la soluzione di caseinato di sodio deve avere una viscosità costante quando viene alimentata all’essiccatore a spruzzo. È pratica comune minimizzare la viscosità preriscaldando la soluzione a 90 – 95 °C appena prima dell’essiccazione a spruzzo.

Caseinato di calcio

La preparazione del caseinato di calcio segue le stesse linee generali del caseinato di sodio, con un paio di importanti eccezioni. Le soluzioni di caseinato di calcio sono suscettibili di essere destabilizzate dal riscaldamento, specialmente a valori di pH inferiori a 6.
Si è scoperto che durante il processo di dissoluzione, la reazione tra la cagliata di caseina acida e l’idrossido di calcio procede ad un ritmo molto più lento di quella tra la cagliata e l’idrossido di sodio. Per aumentare la velocità di reazione tra caseina e idrossido di calcio, la caseina può essere prima sciolta completamente in ammoniaca. L’idrossido di calcio in soluzione di saccarosio viene poi aggiunto, e la soluzione di caseinato di calcio viene asciugata su rulli. La maggior parte dell’ammoniaca evapora durante questo processo.

Altri caseinati

Il caseinato di magnesio è stato brevemente menzionato in letteratura.
Composti di caseina con alluminio sono stati preparati per uso medico o per l’uso come emulsionante nei prodotti a base di carne.
Derivati di metalli pesanti della caseina che sono stati usati principalmente per scopi terapeutici includono quelli contenenti argento, mercurio, ferro e bismuto. Caseinati di ferro e rame sono stati anche preparati per scambio ionico per l’uso in prodotti infantili e dietetici.

Caseinato di sodio estruso

È possibile produrre caseinato di sodio dalla caseina in presenza di una quantità limitata di acqua utilizzando tecniche di estrusione.
Alcune aziende europee che si occupano di cottura per estrusione – Werner & Pfleiderer GmbH (Germania), Clextral (Francia) e alcune altre – riportano buoni risultati dalla produzione di caseinato di sodio mediante cottura per estrusione.
La maggior parte delle informazioni pubblicate danno come materiale di partenza la caseina secca. Acqua e alcali vengono aggiunti per formare una miscela per l’estrusione. La miscela caseina/acqua può avere un contenuto di umidità del
10 – 30%.
La tecnica di estrusione utilizzata nella produzione di caseinati è destinata a diventare altamente competitiva con la tecnica tradizionale a lotti.
Inoltre, il processo di estrusione è stato testato anche nella produzione di caseina acida dal latte scremato in polvere. J. Fichtali e F. R. van der Vort hanno condotto delle prove in un impianto pilota al MacDonald College della McGill University, Quebec, Canada. Riassumono i risultati delle loro prove (1990) come segue:
“Il nostro lavoro iniziale sulla produzione di una cagliata acida da SMP (latte scremato in polvere) mediante processo di estrusione indicava che occorreva uno sforzo significativamente maggiore nello sviluppo del processo per produrre un prodotto di qualità. Gli Stati Uniti, il Canada e la Comunità Economica Europea hanno a volte sperimentato un eccesso cronico di offerta di latte, di cui notevoli quantità vengono convertite in latte scremato in polvere. Modificando le condizioni del processo di estrusione, studiando la coagulazione ad alto contenuto di solidi e ottimizzando le fasi di coagulazione e lavaggio, è possibile produrre per estrusione caseina acida di qualità accettabile. Questo processo è continuo, controllabile, utilizza SMP ad alto contenuto di solidi e può ridurre i requisiti di manodopera e di spazio rispetto ai processi convenzionali. Questo materiale può servire come alimento per un’ulteriore conversione per estrusione in caseinato di sodio, che sarà discussa in un articolo successivo.”

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Fig. 20.6

Un sistema di cottura per estrusione.

Usi di caseine e caseinati

Caseina renetta

La caseina renetta è un prodotto diverso dalla caseina acida. Nell’industria, è usata principalmente nella produzione di sostanze artificiali nella categoria della plastica. La caseina polimerizzata con la formalina è conosciuta come galalite, e le fibre sintetiche di caseina sono conosciute come lanital. Nonostante la grande offerta di varie materie plastiche che competono direttamente con la galalite, c’è ancora una certa richiesta di caseina per la produzione di galalite. Piccole quantità di caseina presamica sono anche usate come materia prima per il formaggio fuso. La caseina di caglio è insolubile in acqua.

Caseina acida

La caseina acida domina i mercati mondiali. Viene utilizzata nell’industria chimica come additivo nella fabbricazione della carta per la patinatura della carta di qualità fine. Per le applicazioni nell’industria della carta, è particolarmente importante che la caseina sia priva di grasso e non contenga particelle di materia estranea o bruciata che potrebbero fare macchie sulla carta. Per ottenere un contenuto di grasso estremamente basso nel latte scremato, dovrebbe essere passato attraverso un impianto di microfiltrazione (MF) in combinazione con la pastorizzazione. Ogni industria ha le sue rigide specifiche di qualità. Anche l’industria delle vernici e dei cosmetici sono grandi utilizzatori di caseina.

Caseinato di sodio

Un’applicazione della caseina di crescente importanza è il suo utilizzo come materia prima per la produzione di caseinato di sodio. La caseina si scioglie facilmente in un alcali diluito, e il liquido viene poi essiccato a spruzzo fino ad ottenere una polvere. Questa polvere è molto più solubile della caseina e viene sempre più utilizzata dall’industria alimentare. È spesso usata come emulsionante nei salumi e si trova in un certo numero di nuovi prodotti, come i sostituti del latte e della panna.
Poiché il caseinato di sodio è altamente viscoso quando si dissolve, la concentrazione massima ottenibile è del 20% a 55 – 60 °C.

Caseinato di calcio

Per certe applicazioni, il caseinato di calcio può essere scelto al posto del caseinato di sodio, anche per ridurre al minimo il contenuto di sodio del prodotto.
La viscosità del caseinato di calcio è leggermente inferiore a quella del caseinato di sodio alla stessa concentrazione.

Caprecipitato di calcio

Anche questo prodotto può essere disciolto in alcali ed essiccato a spruzzo, ed ha più o meno lo stesso campo di applicazione del caseinato, tuttavia, nella produzione del co-precipitato di calcio, è possibile adattare il processo allo scopo di regolare il colore, la solubilità e il contenuto di ceneri in modo più conforme alle esigenze degli utenti.
Uno dei vantaggi più importanti della caseina e del caseinato dal punto di vista nutrizionale è il contenuto relativamente alto dell’amminoacido essenziale lisina. Inoltre, i test hanno dimostrato che la lisina si conserva molto più a lungo, grazie all’assenza di lattosio nell’ambiente. Questo suggerisce che le proteine del latte possono essere conservate più convenientemente sotto forma di caseina e caseinato che, per esempio, come latte in polvere essiccato.
La caseina prodotta per uso industriale deve soddisfare requisiti di purezza chimica stabiliti da tempo. La nuova tendenza mostra che la caseina e il precipitato sono prodotti intermedi che trovano la loro strada in una serie di prodotti alimentari e devono quindi soddisfare requisiti rigorosi per quanto riguarda la purezza batteriologica e chimica.
Le linee di processo devono essere progettate e costruite in modo da garantire condizioni di produzione igieniche. Poiché la caseina è un prodotto molto più stagionale di molti altri prodotti lattiero-caseari, deve essere prevista la possibilità di far funzionare la linea di produzione in più turni senza un’eccessiva richiesta di lavoro manuale. Anche il consumo di acqua deve essere mantenuto entro limiti ragionevoli.
Pertanto, in queste circostanze, è interessante poter pianificare linee di produzione continua, ad esempio incorporando macchine centrifughe per la disidratazione della caseina e il recupero delle perdite di caseina dal siero e dalle acque di lavaggio.