KASYNA

Kazeina jest głównym białkiem mleka krowiego i zawiera około 80 % całkowitej zawartości białka, z czego reszta,
około 20 %, to białka serwatki lub surowicy.
Kazeina jest podstawowym składnikiem zwykłego sera. W procesie wytwarzania sera kazeina jest wytrącana przez działanie enzymów podpuszczki i powstaje koagulant składający się z kazeiny, białek serwatkowych, tłuszczu, laktozy i minerałów mleka.
Komercyjna kazeina jest wytwarzana z odtłuszczonego mleka za pomocą jednej z dwóch ogólnych metod – wytrącania kwasem lub koagulacji podpuszczką. Jak najwięcej tłuszczu, białek serwatkowych, laktozy i minerałów musi być usunięte przez wieloetapowe płukanie w wodzie, ponieważ obniżają one jakość kazeiny, jak również jej trwałość. Wysuszona, prawidłowo wyprodukowana kazeina ma stosunkowo dobrą jakość przechowywania i jest stosowana głównie w przemyśle spożywczym i chemicznym.

Typy kazeiny

Kazeina jest zwykle dzielona na następujące typy:

Kazeina reninowa, otrzymywana przez strącanie enzymatyczne
Kwaśna kazeina, otrzymywana przez zakwaszenie odtłuszczonego mleka do punktu izoelektrycznego (pH 4,6 – 4.7)

Oprócz tych dwóch głównych rodzajów, istnieją inne dostępne w handlu produkty kazeinowe o istotnym znaczeniu, takie jak:

Co-precypitat, wytwarzany przez podgrzanie odtłuszczonego mleka do wysokiej temperatury, a następnie wytrącenie kompleksu kazeina/białko serwatkowe, zwykle za pomocą chlorku wapnia.

Współstrącanie zawiera również białka serwatkowe i wapń.

Kazeiniany, powszechnie kazeinian sodu, otrzymywany z kwaśnej kazeiny rozpuszczonej w wodorotlenku sodu

Wpływ surowca

Aby wyprodukować kazeinę wysokiej jakości, surowiec, chude mleko, musi być dobrej jakości. Jeżeli bakterie miały czas, aby oddziaływać na białko w mleku w wyniku zmiany kwasowości, wpłynie to na kolor i konsystencję kazeiny, która uzyska szarawy kolor i bardziej płynną konsystencję. Nadmierne podgrzewanie mleka przed wytrącaniem nie tylko spowoduje różne interakcje pomiędzy składnikami laktozy, kazeiny i białek serwatkowych, ale również nada kazeinie żółtą lub w najgorszym przypadku brązowawą barwę.
W celu wyprodukowania kazeiny o dobrej jakości bakteriologicznej, bez wysokiej obróbki cieplnej mleka chudego, zakład pasteryzacji może również zawierać instalację mikrofiltracji (MF). Aby spełnić wysokie wymagania dotyczące jakości kazeiny przeznaczonej do wykorzystania w przemyśle spożywczym, nie tylko linia produkcyjna musi być starannie zaplanowana od momentu odbioru mleka, ale również obróbka i obchodzenie się z surowcem przed tym etapem muszą być starannie kontrolowane.

Kazeina podpuszczkowa

Mleko chude, zwykle pasteryzowane w temperaturze 72 °C przez 15 – 20 sekund, jest wykorzystywane do produkcji kazeiny podpuszczkowej, jak również innych rodzajów kazeiny. Małe ilości tłuszczu mają negatywny wpływ na jakość. Dlatego ważne jest, aby mleko zostało skutecznie oddzielone.
Rysunek 20.1 przedstawia różne etapy produkcji kazeiny podpuszczkowej. Zaprawianie podpuszczką odbywa się przy udziale enzymu podpuszczki chymozyny. Mleko jest podgrzewane przez krótki okres czasu, a następnie schładzane do temperatury około 30 °C. Następnie dodaje się podpuszczkę. Następnie dodaje się podpuszczkę. Po 15 – 20 minutach tworzy się żel. Jest on ścinany, a koagulant mieszany przy jednoczesnym podgrzewaniu do temperatury ok. 60 °C. Wysoka temperatura jest potrzebna do dezaktywacji enzymu. Czas gotowania wynosi około 30 minut.

Mycie partii

Podeszwa jest odsączana po osiągnięciu temperatury końcowej, a pozostała kazeina, pozostająca w kadzi, jest przemywana wodą w celu usunięcia białek serwatkowych, laktozy i soli. Mycie odbywa się w dwóch lub trzech etapach w temperaturze pomiędzy 45 a 60 °C.
Po odsączeniu wody kazeina jest dalej odwadniana na sitach lub w separatorach. Następnie jest suszona gorącym powietrzem do momentu, gdy zawartość wody wynosi
12 %, a na koniec mielona na proszek. Temperatura suszenia zależy od zastosowanej metody. W dwustopniowym procesie suszenia temperatura wynosi 50-55 °C w pierwszym etapie i około 65 °C w drugim.
Kazeina reninowa powinna być biała lub lekko żółta. Ciemniejsza barwa jest oznaką gorszej jakości i może być spowodowana zbyt wysoką zawartością laktozy.

Mycie ciągłe

Kazeina rennetowa początkowo była produkowana partiami w specjalnych zbiornikach na kazeinę, ale obecnie stosuje się również procesy ciągłe. W zakładzie ciągłym odwadnianie serwatki odbywa się przed przejściem kazeiny przez dwa lub trzy zbiorniki do mycia z mieszadłami. Odwadnianie jest zwykle wykonywane w wirówce dekantacyjnej, aby zmniejszyć zużycie wody do mycia. Kazeina jest odwadniana pomiędzy etapami mycia, albo na pochyłych sitach statycznych, albo w dekanterach. Po opuszczeniu etapów mycia mieszanina wody i kazeiny przechodzi przez kolejny dekanter w celu odprowadzenia jak największej ilości wody przed ostatecznym suszeniem.
W produkcji na dużą skalę koagulacja kazeiny jest nadal wykonywana partiami z obliczoną liczbą kadzi kazeinowych opróżnianych kolejno w celu zasilenia instalacji do ciągłego odwirowywania i mycia.
Mycie odbywa się w przeciwprądzie, który wykorzystuje wodę w sposób bardziej ekonomiczny niż mycie równoległe. Ten ostatni system zużywa jeden litr wody na litr mleka odtłuszczonego, podczas gdy w myciu przeciwprądowym potrzeba jedynie około 0,3 – 0,4 litra wody na litr mleka odtłuszczonego. Liczba etapów mycia jest uzależniona od wymagań stawianych produktowi. Dwa etapy to minimum. Świeża woda jest dostarczana tylko na ostatnim etapie. Po myciu kazeina jest odwadniana w dekanterze do zawartości suchej masy wynoszącej 45-40 %. Po wysuszeniu, na przykład w suszarce wibracyjnej, kazeina jest mielona do wielkości cząstek odpowiadającej 40, 60 lub 80 oczkom i pakowana w worki. (Siatka = liczba linii sita na cal; 40 oczek odpowiada zatem 0,64 mm.)

Kwaśna kazeina

Mleko jest zakwaszane do punktu izoelektrycznego kazeiny, za który uważa się pH 4,6, ale jest on przesunięty przez obecność neutralnych soli w roztworze i może znajdować się w dowolnym miejscu w zakresie rozciągającym się od pH 4,0 do pH 4,8. Punkt izoelektryczny to etap, w którym stężenie jonów hydroniowych neutralizuje ujemnie naładowane micele kazeinowe, powodując wytrącenie (koagulację) kompleksu kazeinowego. Takie zakwaszanie może być prowadzone biologicznie lub przez dodanie kwasu mineralnego, np. kwasu solnego (HCl) lub kwasu siarkowego (H2SO4).

Kwaszenie biologiczne – kazeina kwasu mlekowego

Kazeina kwasu mlekowego jest wytwarzana przez zakwaszanie mikrobiologiczne. Mleko jest pasteryzowane i schładzane do temperatury 27 – 23 °C. Następnie dodaje się mezofilny, nie wytwarzający gazów starter. Zakwaszanie do wymaganego pH trwa około 15 godzin. Jeśli proces zakwaszania jest zbyt szybki, może to spowodować problemy takie jak nierówna jakość i zmniejszona wydajność kazeiny. Zazwyczaj stosuje się duże zbiorniki, ponieważ opróżnianie zbiornika może trwać tak długo, że stopień kwasowości może się zmieniać.
Po osiągnięciu wymaganej kwasowości, mleko jest mieszane i podgrzewane do temperatury 50-55 °C w płytowym wymienniku ciepła. Po krótkiej przerwie dalsza obróbka – mycie i suszenie – jest praktycznie taka sama jak w przypadku kazeiny podpuszczkowej.

Kwaszenie mineralne – kazeina kwaśna

Mleko jest podgrzewane do wymaganej temperatury, ok. 32 °C. Następnie dodawany jest kwas mineralny, aby doprowadzić pH mleka do 4,3 – 4,6. Po sprawdzeniu pH mleko jest podgrzewane do temperatury 40 – 45 °C w płytowym wymienniku ciepła i utrzymywane przez około dwie minuty, kiedy to tworzą się gładkie agregaty kazeiny. Aby usunąć jak najwięcej serwatki przed rozpoczęciem mycia, mieszanina serwatki i kazeiny jest przepuszczana przez karafkę. W ten sposób do mycia potrzeba mniej wody.
Rysunek 20.2 przedstawia schemat blokowy linii technologicznej do wytwarzania kazeiny kwasowej. Jak można zauważyć, instalacja na końcu procesu zakwaszania jest prawie identyczna jak ta używana do produkcji kazeiny podpuszczkowej.
Przed opuszczeniem instalacji, serwatka i woda do mycia mogą być oddzielone, a osad kazeinowy jest gromadzony w zbiorniku. Po zmieszaniu z roztworem ługu, kazeina rozpuszcza się, a następnie jest ponownie mieszana z mlekiem chudym przeznaczonym do produkcji kazeiny.
Po odwodnieniu, kwaśna kazeina jest mielona i pakowana w worki.
Należy również wspomnieć o technice produkcji kwaśnej kazeiny opracowanej przez Pillet we Francji.
Po wstępnym podgrzaniu do 32 °C, chude mleko jest zakwaszane i wprowadzane do urządzenia do koagulacji (rysunek 20.3). Koagulacja jest zakończona po podgrzaniu do temperatury około 45 °C za pomocą bezpośredniego wtrysku pary. Po odwadnianiu w dekanterze następuje mycie przeciwprądowe w jednej lub dwóch specjalnie zaprojektowanych wieżach myjących (rysunek 20.4).
Przed suszeniem w urządzeniu wibrofluidyzacyjnym kazeina jest odwadniana w dekanterze.

Precypitat kokainowy

Precypitat kokainowy zawiera praktycznie wszystkie frakcje białkowe mleka.
Po dodaniu niewielkich ilości chlorku wapnia lub kwasu do mleka chudego, mieszaninę podgrzewa się do temperatury 85 – 95 °C i utrzymuje w tej temperaturze przez okres 1 – 20 minut, aby umożliwić interakcję między kazeinami a białkami serwatki. Wytrącanie białek z podgrzanego mleka jest następnie przeprowadzane poprzez kontrolowane dodawanie roztworu chlorku wapnia (w celu wytworzenia współstrącania wysokowapniowego) lub rozcieńczonego kwasu (w celu wytworzenia współstrącania średnio- lub nisko-wapniowego, w zależności od ilości dodanego kwasu i pH otrzymanej serwatki). Skrzep jest następnie myty i albo suszony w celu wytworzenia granulowanych, nierozpuszczalnych współstrącalników, albo rozpuszczany w zasadach opisanych w metodach wytwarzania kazeinianów w celu wytworzenia rozpuszczalnych lub „dyspergowalnych” współstrącalników.

Kaślinian

Kaślinian można zdefiniować jako związek chemiczny kazeiny i metali lekkich, np. sodu jednowartościowego (Na+) lub wapnia dwuwartościowego (Ca++).
Kazeiniany można wytwarzać ze świeżo wytrąconego („mokrego”) skrzepu kazeiny kwaśnej lub z suchej kazeiny kwaśnej poprzez reakcję z którymkolwiek z kilku rozcieńczonych roztworów alkaliów, jak przedstawiono na rysunku 20.5.

Kazeinian sodu

Najczęściej stosowaną zasadą w produkcji kazeinianu sodu jest roztwór wodorotlenku sodu (NaOH) o stężeniu 2,5 M lub 10 %. Wymagana ilość NaOH wynosi zazwyczaj 1,7 – 2,2 % masy suchej kazeiny w celu osiągnięcia końcowego pH, zazwyczaj około 6,7.
Można stosować inne zasady, takie jak wodorowęglan sodu lub fosforany sodu, ale wymagane ilości i ich koszt są większe niż NaOH. Z tego względu są one na ogół stosowane tylko do szczególnych celów, takich jak wytwarzanie kazeinianów cytrynianowych.
Bardzo wysoka lepkość roztworów kazeinianu sodu o umiarkowanym stężeniu ogranicza ich zawartość substancji stałych do suszenia rozpyłowego do około 20 %.
W odniesieniu do procedur przetwarzania należy wspomnieć, że czas rozpuszczania jest bezpośrednio związany z wielkością cząstek i że zmniejszenie wielkości cząstek przed dodaniem wodorotlenku sodu, a nie po nim, powoduje szybszą reakcję. W związku z tym skrzep jest przepuszczany przez młyn koloidalny przed dodaniem zasady.
Po końcowym płukaniu kazeiny, skrzep może być odwodniony do około 45% suchej masy, a następnie ponownie zmieszany z wodą (do 25 – 30% suchej masy) przed wprowadzeniem do młyna koloidalnego. Temperatura powstającej zawiesiny powinna wynosić poniżej 45 °C, ponieważ zaobserwowano, że zmielony twaróg może ponownie ulec aglomeracji w wyższych temperaturach. Zazwyczaj zawiesinę zbiera się w zbiorniku z płaszczem, wyposażonym w skuteczne mieszadło, a także zintegrowanym z systemem cyrkulacji z pompą o dużej wydajności.
Dodawanie rozcieńczonej zasady musi być starannie kontrolowane w celu osiągnięcia końcowego pH około 6,7. Preferuje się dozowanie zasady do linii recyrkulacyjnej tuż przed pompą.
Po dodaniu zasady do zawiesiny ważne jest jak najszybsze podniesienie temperatury do 60-75 °C, aby zmniejszyć lepkość.
Czas rozpuszczania kazeinianu sodu przygotowanego w partiach wynosi zwykle 30-60 min.
Dla skutecznego rozpylania roztwór kazeinianu sodu musi mieć stałą lepkość, gdy jest podawany do suszarki rozpyłowej. Powszechną praktyką jest minimalizowanie lepkości poprzez wstępne podgrzanie roztworu do temperatury 90 – 95 °C tuż przed suszeniem rozpyłowym.

Kazeinian wapnia

Przygotowywanie kazeinianu wapnia przebiega według tych samych ogólnych zasad, co w przypadku kazeinianu sodu, z kilkoma ważnymi wyjątkami. Roztwory kazeinianu wapnia mogą być destabilizowane przez ogrzewanie, szczególnie przy wartościach pH poniżej 6.
Odkryto, że podczas procesu rozpuszczania, reakcja pomiędzy kwaśnym skrzepem kazeinowym a wodorotlenkiem wapnia przebiega znacznie wolniej niż pomiędzy skrzepem a wodorotlenkiem sodu. Aby zwiększyć szybkość reakcji pomiędzy kazeiną a wodorotlenkiem wapnia, kazeinę można najpierw całkowicie rozpuścić w amoniaku. Następnie dodaje się wodorotlenek wapnia w roztworze sacharozy, a roztwór kazeinianu wapnia suszy się na wałkach. Większość amoniaku odparowuje podczas tego procesu.

Inne kazeiniany

Kazeinian magnezu został krótko wspomniany w literaturze.
Związki kazeiny z aluminium zostały przygotowane do użytku medycznego lub jako emulgator w produktach mięsnych.
Pochodne kazeiny zawierające metale ciężkie, które były stosowane głównie do celów terapeutycznych, obejmują te zawierające srebro, rtęć, żelazo i bizmut. Kazeiniany żelaza i miedzi zostały również przygotowane w drodze wymiany jonowej do stosowania w produktach dla niemowląt i produktach dietetycznych.

Ekstrudowany kazeinian sodu

Możliwe jest wytwarzanie kazeinianu sodu z kazeiny w obecności ograniczonej ilości wody przy użyciu technik ekstruzji.Większość opublikowanych informacji podaje suchą kazeinę jako materiał wyjściowy. Woda i zasady są dodawane w celu utworzenia mieszaniny do wytłaczania. Mieszanina kazeiny z wodą może mieć zawartość wilgoci
10 – 30%. Ponadto, przetwarzanie ekstruzyjne było również badane w produkcji kazeiny kwasowej z odtłuszczonego mleka w proszku. J Fichtali i F R van der Vort przeprowadzili próby w zakładzie pilotażowym w MacDonald College Uniwersytetu McGill, Quebec, Kanada. Wyniki swoich prób (1990) podsumowują w następujący sposób:
„Nasze wstępne prace nad produkcją skrzepu kwaśnego z OMP (odtłuszczonego mleka w proszku) poprzez przetwarzanie ekstruzyjne wskazały, że należy włożyć znacznie więcej wysiłku w opracowanie procesu, aby uzyskać produkt wysokiej jakości. W Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Europejskiej Wspólnocie Gospodarczej występuje chroniczna nadpodaż mleka, którego znaczne ilości są przetwarzane na odtłuszczone mleko w proszku. Modyfikując warunki procesu ekstruzji, badając koagulację o wysokiej zawartości części stałych oraz optymalizując etapy koagulacji i mycia, można w procesie ekstruzji wytwarzać kazeinę kwaśną o akceptowalnej jakości. Proces ten jest ciągły, kontrolowany, wykorzystuje SMP o wysokiej zawartości części stałych i może zmniejszyć zapotrzebowanie na siłę roboczą i powierzchnię użytkową w porównaniu z procesami konwencjonalnymi. Materiał ten może służyć jako pasza do dalszej konwersji przez wytłaczanie do kazeinianu sodu, co zostanie omówione w kolejnym artykule.”

Zastosowanie kazein i kazeinianów

Kazeina reninowa

Kazeina reninowa jest produktem różnym od kazeiny kwasowej. W przemyśle jest stosowana głównie do produkcji substancji sztucznych w kategorii tworzyw sztucznych. Kazeina spolimeryzowana z formaliną jest znana jako galalit, a włókna syntetyczne z kazeiny są znane jako lanital. Pomimo dużej podaży różnych tworzyw sztucznych, które bezpośrednio konkurują z galalitem, nadal istnieje pewne zapotrzebowanie na kazeinę do produkcji galalitu. Niewielkie ilości kazeiny podpuszczkowej są również wykorzystywane jako surowiec do produkcji serów topionych. Kazeina podpuszczkowa jest nierozpuszczalna w wodzie.