CASEINA

Cazeina este principala proteină din laptele de vacă și cuprinde aproximativ 80% din conținutul total de proteine, din care restul,
aproximativ 20%, sunt proteinele din zer sau din ser.
Cazeina este componenta de bază a brânzei obișnuite. În procesul de fabricare a brânzei, cazeina este precipitată prin acțiunea enzimelor cheagului și se formează un coagul format din cazeină, proteine din zer, grăsime, lactoză și mineralele din lapte.
Cazeina comercială este obținută din lapte degresat prin una dintre cele două metode generale – precipitarea prin acid sau coagularea prin cheag. Grăsimea, proteinele din zer, lactoza și mineralele trebuie eliminate cât mai mult posibil prin spălare în mai multe etape în apă, deoarece acestea reduc calitatea cazeinei, precum și calitatea de păstrare a acesteia. Cazeina uscată, produsă în mod corespunzător, are o calitate de păstrare relativ bună și este utilizată în principal în industria alimentară și chimică.

Tipuri de cazeină

Cazeina este de obicei împărțită în următoarele tipuri:

• Cazeina cu cheag, obținută prin precipitare enzimatică
• Cazeina acidă, obținută prin acidificarea laptelui degresat până la punctul izoelectric (pH 4,6 – 4.7)

În plus față de aceste două tipuri principale, există și alte produse de cazeină importante disponibile în comerț, cum ar fi:

• Co-precipitat, obținut prin încălzirea laptelui degresat la o temperatură ridicată și apoi prin precipitarea complexului cazeină/proteine de grâu, de obicei cu clorură de calciu.

Co-precipitatul conține, de asemenea, proteine din zer și calciu.

• Caseinați, de obicei cazeinat de sodiu, obținut din cazeină acidă dizolvată în hidroxid de sodiu

Influența materiei prime

Pentru a produce cazeină de înaltă calitate, materia primă, laptele degresat, trebuie să fie de bună calitate. Dacă bacteriile au avut timp să acționeze asupra proteinelor din lapte ca urmare a modificării acidității, acest lucru va afecta culoarea și consistența cazeinei, care va căpăta o culoare cenușie și o consistență mai fină. Încălzirea excesivă a laptelui înainte de precipitare nu numai că va provoca interacțiuni asortate între lactoză, cazeină și constituenții proteici din zer, dar va da cazeinei o culoare galbenă sau, în cel mai rău caz, maronie.
Pentru a produce cazeină de bună calitate bacteriologică, fără un tratament termic ridicat al laptelui degresat, instalația de pasteurizare poate conține și o instalație de microfiltrare (MF). Pentru a satisface cerințele ridicate privind calitatea cazeinei destinate utilizării în industria alimentară, nu numai că linia de producție trebuie să fie atent planificată încă de la recepția laptelui, dar tratamentul și manipularea materiei prime înainte de această etapă trebuie, de asemenea, să fie atent controlate.

Cazeina de cheag

Laptele degresat, pasteurizat în mod normal la 72 °C timp de 15 – 20 de secunde, este utilizat pentru producerea de cazeină de cheag, precum și a altor tipuri de cazeină. Cantitățile mici de grăsime sunt în detrimentul calității. Prin urmare, este important ca laptele să fi fost separat eficient.
Figura 20.1 prezintă diferitele etape ale producției de cazeină din cheag. Cheagul are loc cu ajutorul enzimei chimozină din cheag. Laptele este încălzit pentru o perioadă scurtă de timp și apoi răcit la aproximativ 30 °C. Apoi se adaugă cheagul. După 15 – 20 de minute se formează un gel. Acesta este tăiat și coagulul este agitat în timp ce este încălzit la aproximativ 60 °C. Temperatura ridicată este necesară pentru a dezactiva enzima. Timpul de gătire este de aproximativ 30 de minute.

Zoom

Fig. 20.1

Linia de proces cu spălare în contracurent a cazeinei cu cheag.

1. Tabă pentru producția de cazeină
2. Decantor
3. Tabă de spălare
4. Încălzitor
5. Secare
7. Măcinare, cernere și ambalare în saci

Serul este drenat atunci când a fost atinsă temperatura finală, iar cazeina rămasă, în timp ce se află în cuvă, este spălată cu apă pentru a elimina proteinele din zer, lactoza și sarea. Spălarea are loc în două sau trei etape, la o temperatură cuprinsă între 45 și 60 °C.
După ce apa a fost drenată, cazeina este în continuare deshidratată în sită sau în separatoare. Apoi se usucă cu aer cald până când conținutul de apă este de
12 % și, în final, se macină până la obținerea unei pulberi. Temperatura de uscare depinde de metoda utilizată. Într-un proces de uscare în două etape, temperatura este de 50 – 55 °C în prima etapă și de aproximativ 65 °C în cea de-a doua etapă.
Cazeina de șvaițer trebuie să fie albă sau ușor galbenă. O culoare mai închisă este un semn al unei calități inferioare și poate fi cauzată de un conținut prea mare de lactoză.

Spălare continuă

Cazeina de renet a fost inițial produsă în loturi în rezervoare speciale de cazeină, dar în prezent se folosesc și procese continue. Într-o instalație continuă, drenarea zerului are loc înainte ca cazeina să treacă prin două sau trei rezervoare de spălare cu agitatori. În mod normal, deshidratarea se face într-o centrifugă decanter pentru a reduce consumul de apă de spălare. Cazeina este deshidratată între etapele de spălare, fie pe filtre statice înclinate, fie în decantoare. După ce părăsește etapele de spălare, amestecul apă/cazină trece printr-un alt decantor pentru a evacua cât mai multă apă posibil înainte de uscarea finală.
În producția la scară mare, coagularea cazeinei se face în continuare pe loturi, cu un număr calculat de cuve de cazeină golite succesiv pentru a alimenta instalația continuă de deshidratare și spălare.
Spălarea are loc în contracurent, care utilizează apa mai economic decât spălarea simultană. Acest din urmă sistem utilizează un litru de apă pe litru de lapte degresat, în timp ce în cazul spălării în contracurent sunt necesari doar aproximativ 0,3 – 0,4 litri de apă pe litru de lapte degresat. Numărul de etape de spălare depinde de cerințele privind produsul. Două etape reprezintă minimul. Apa proaspătă este furnizată doar în ultima etapă. După spălare, cazeina se deshidratează într-un decantor până la un conținut de DM de 45-40 %. După uscare, de exemplu într-un uscător cu vibrații, cazeina este măcinată până la o dimensiune a particulelor de 40, 60 sau 80 de mesh și este ambalată în saci. (Mesh = numărul de linii de cernere pe inch; 40 mesh corespunde astfel la 0,64 mm.)

Cazeină acidă

Laptele este acidificat până la punctul izoelectric al cazeinei, despre care se crede că este pH 4,6, dar acesta este deplasat de prezența sărurilor neutre în soluție și poate fi oriunde într-un interval care se întinde de la pH 4,0 la pH 4,8. Punctul izoelectric este stadiul în care concentrația de ioni de hidroniu neutralizează miclele de cazeină încărcate negativ, ceea ce duce la precipitarea (coagularea) complexului de cazeină. O astfel de acidificare poate fi realizată biologic sau prin adăugarea unui acid mineral, de exemplu acid clorhidric (HCl) sau acid sulfuric (H2SO4).

Acidificare biologică – cazeină lactică

Cazeina lactică este produsă prin acidificare microbiologică. Laptele este pasteurizat și răcit la 27 – 23 °C. Se adaugă apoi un starter mezofil, neproducător de gaze. Acidularea până la pH-ul necesar durează aproximativ 15 ore. În cazul în care procesul de acidulare este prea rapid, acesta poate duce la probleme cum ar fi calitatea neuniformă și randamentul redus de cazeină. De obicei, se folosesc rezervoare mari, deoarece golirea rezervorului poate dura atât de mult timp, încât gradul de aciditate poate varia.
Când a fost atinsă aciditatea necesară, laptele este agitat și încălzit la 50 – 55 °C într-un schimbător de căldură cu plăci. După o scurtă reținere, continuarea tratamentului – spălare și uscare – este practic aceeași ca și în cazul cazeinei cu cheag.

Acidificare minerală – cazeină acidă

Laptele este încălzit la temperatura necesară, aproximativ 32 °C. Se adaugă apoi acid mineral pentru a aduce pH-ul laptelui la 4,3 – 4,6. După verificarea pH-ului, laptele se încălzește la 40 – 45 °C într-un schimbător de căldură cu plăci și se menține timp de aproximativ două minute, când se formează agregate netede de cazeină. Pentru a elimina cât mai mult zer înainte de începerea spălării, amestecul de zer și cazeină se trece printr-un decantor. În acest fel, este nevoie de mai puțină apă pentru spălare.
Figura 20.2 prezintă o diagramă de flux pentru o linie de proces de fabricare a cazeinei acide. După cum se poate observa, instalația din aval de acidifiere este aproape identică cu cea utilizată pentru producția de cazeină din cheag.
Înainte de a părăsi instalația, zerul și apa de spălare pot fi separate, iar nămolul de cazeină este colectat într-un rezervor. Atunci când este amestecată cu o soluție de leșie, cazeina se dizolvă și este apoi amestecată din nou cu laptele degresat destinat producției de cazeină.
După deshidratare, cazeina acidă este măcinată și ambalată în saci.
Ar trebui, de asemenea, menționată tehnica de producție a cazeinei acide dezvoltată de Pillet, Franța.
După preîncălzirea la 32 °C, laptele degresat este acidificat și introdus într-o unitate de coagulare (figura 20.3). Coagularea este finalizată după încălzirea la aproximativ 45 °C prin injecție directă de abur. Scurgerea într-un decantor este urmată de spălarea în contracurent în unul sau două turnuri de spălare special concepute (figura 20.4).
Înainte de a fi uscată într-o unitate de vibro-fluidizare, cazeina este deshidratată într-un decantor.

Zoom

Fig. 20.2

Linia de proces pentru producerea cazeinei acide.

1. Controlul pH-ului
2. Centrifugă decanter
3. Cisternă de spălare
4. Schimbător de căldură
5. Secare
6. Măcinare, cernere și împachetare

Opțional:

• 7. Recuperarea finelor din zer
• 8. Recuperarea finelor din apa de spălare
• 9. Dizolvarea finelor
• 10. Depozitarea zerului

Zoom

Fig. 20.3

Unitate continuă de coagulare, coacere și sinereză pentru cazeine lactice, acide și cheaguri (Pillet).

Zoom

Fig. 20.4

Turnul de spălare a casematelor lactice, acide și închegate (Pillet).

Co-precipitat

Co-precipitatul conține practic toate fracțiunile proteice ale laptelui.
După adăugarea unor cantități mici de clorură de calciu sau de acid la laptele degresat, amestecul este încălzit la 85 – 95 °C și menținut la această temperatură pentru o perioadă de 1 – 20 minute pentru a permite interacțiunea dintre cazeine și proteinele din zer. Precipitarea proteinelor din laptele încălzit se realizează apoi prin adăugarea controlată fie a unei soluții de clorură de calciu (pentru a produce co-precipitat cu conținut ridicat de calciu), fie a unui acid diluat (pentru a produce co-precipitat cu conținut mediu de calciu sau scăzut de calciu, în funcție de cantitatea de acid adăugată și de pH-ul zerului rezultat). Cașcavalul se spală ulterior și fie se usucă pentru a produce co-precipitate granulară, insolubilă, fie se dizolvă în substanțe alcaline, așa cum este descris pentru metodele de fabricare a cazeinaților, pentru a produce co-precipitate solubile sau „dispersabile”.

Caseinat

Caseinatul poate fi definit ca un compus chimic de cazeină și metale ușoare, de exemplu sodiu monovalent (Na+) sau calciu divalent (Ca++).
Caseinații pot fi produși din caș de cazeină acidă proaspăt precipitat („umed”) sau din cazeină acidă uscată, prin reacția cu oricare dintre mai multe soluții diluate de alcalin, așa cum este prezentat în figura 20.5.

Zoom

Fig. 20.5

Etapele de bază implicate în fabricarea cazeinaților uscați prin pulverizare sau cu role din caș de cazeină acidă sau cazeină acidă uscată. Alcali poate fi hidroxidul de sodiu, hidroxidul de potasiu, hidroxidul de calciu sau amoniacul.

Cazeinat de sodiu

Cel mai frecvent utilizat alcalin în producția de cazeinat de sodiu este soluția de hidroxid de sodiu (NaOH), cu o concentrație de 2,5 M sau 10 %. Cantitatea de NaOH necesară este, în general, de 1,7 – 2,2 % în greutate din solidele de cazeină pentru a se ajunge la un pH final, în general de aproximativ 6,7.
Se pot folosi și alte baze, cum ar fi bicarbonatul de sodiu sau fosfații de sodiu, dar cantitățile necesare și costul lor sunt ambele mai mari decât cele de NaOH. Prin urmare, acestea sunt, în general, utilizate numai în scopuri specifice, cum ar fi la fabricarea cazeinaților citrați.
Vâscozitatea foarte mare a soluțiilor de cazeinat de sodiu de concentrație moderată limitează conținutul lor de solide pentru uscarea prin pulverizare la aproximativ 20 %.
În ceea ce privește procedeele de prelucrare, trebuie menționat faptul că timpul de dizolvare este direct legat de dimensiunea particulelor și că reducerea dimensiunii particulelor înainte de adăugarea hidroxidului de sodiu, mai degrabă decât după aceea, produce o reacție mai rapidă. În consecință, cașul este trecut printr-o moară coloidală înainte de adăugarea de alcalin.
După spălarea finală cu cazeină, cașul poate fi deshidratat până la aproximativ 45% de substanță solidă și apoi remixat cu apă (până la 25 – 30% de substanță solidă) înainte de a intra în moara coloidală. Temperatura suspensiei care iese trebuie să fie sub 45 °C, deoarece s-a observat că cașul măcinat se poate reaglomera la temperaturi mai ridicate. În general, suspensia este colectată într-un rezervor cu cămașă prevăzut cu un agitator eficient și integrat, de asemenea, într-un sistem de circulație cu o pompă de mare capacitate.
Adaosul de alcalin diluat trebuie controlat cu atenție, cu scopul de a ajunge la un pH final de aproximativ 6,7. De preferință, alcalinul este dozat în conducta de recirculare chiar în amonte de pompă.
După ce alcalinul a fost adăugat în suspensie, este important să se ridice temperatura cât mai repede posibil la 60 – 75 °C, pentru a reduce vâscozitatea.
Timpurile de dizolvare pentru cazeinatul de sodiu preparat în loturi sunt de obicei de 30 – 60 min.
Pentru o atomizare eficientă, soluția de cazeinat de sodiu trebuie să aibă o vâscozitate constantă atunci când este introdusă în uscătorul de pulverizare. Este o practică obișnuită de a minimiza vâscozitatea prin preîncălzirea soluției la 90 – 95 °C chiar înainte de uscarea prin pulverizare.

Cazeinat de calciu

Prepararea cazeinatului de calciu urmează aceleași linii generale ca și în cazul cazeinatului de sodiu, cu câteva excepții importante. Soluțiile de cazeinat de calciu sunt susceptibile de a fi destabilizate prin încălzire, în special la valori ale pH-ului mai mici de 6.
S-a constatat că, în timpul procesului de dizolvare, reacția dintre cașul de cazeină acidă și hidroxidul de calciu are loc cu o viteză mult mai mică decât cea dintre caș și hidroxidul de sodiu. Pentru a crește viteza de reacție între cazeină și hidroxidul de calciu, cazeina poate fi mai întâi dizolvată complet în amoniac. Se adaugă apoi hidroxid de calciu în soluție de zaharoză, iar soluția de cazeinat de calciu se usucă pe role. Cea mai mare parte a amoniacului se evaporă în timpul acestui proces.

Alți cazeinați

Cazeinatul de magneziu a fost menționat pe scurt în literatura de specialitate.
Au fost preparați compuși de cazeină cu aluminiu pentru uz medical sau pentru a fi utilizați ca emulgator în produsele din carne.
Derivații de metale grele ai cazeinei care au fost utilizați în principal în scopuri terapeutice îi includ pe cei care conțin argint, mercur, fier și bismut. Cazeinații de fier și de cupru au fost, de asemenea, preparați prin schimb de ioni pentru a fi utilizați în produse pentru sugari și produse dietetice.

Caseinat de sodiu extrudat

Este posibil să se producă cazeinat de sodiu din cazeină în prezența unei cantități limitate de apă prin utilizarea tehnicilor de extrudare.
Câteva companii europene care se ocupă cu fierberea prin extrudare – Werner & Pfleiderer GmbH (Germania), Clextral (Franța) și alte câteva – raportează rezultate bune din producția de cazeinat de sodiu prin fierbere prin extrudare.
Cele mai multe dintre informațiile publicate dau ca materie primă cazeina uscată. Se adaugă apă și alcalin pentru a forma un amestec pentru extrudare. Amestecul de cazeină/apă poate avea un conținut de umiditate de
10 – 30%.
Tehnica de extrudare utilizată în producția de cazeinați este posibil să devină foarte competitivă față de tehnica tradițională discontinuă.
În plus, prelucrarea prin extrudare a fost, de asemenea, testată în producția de cazeină acidă din lapte praf degresat. J Fichtali și F R van der Vort au efectuat teste într-o instalație pilot la Colegiul MacDonald al Universității McGill, Quebec, Canada. Ei rezumă rezultatele încercărilor lor (1990) după cum urmează:
„Lucrările noastre inițiale privind producerea unei cașine acide din SMP (lapte praf degresat) prin procesare prin extrudare au indicat că trebuie depus un efort semnificativ mai mare pentru dezvoltarea procesului de obținere a unui produs de calitate. Statele Unite, Canada și Comunitatea Economică Europeană s-au confruntat uneori cu o supraofertă cronică de lapte, din care cantități substanțiale sunt transformate în lapte praf degresat. Prin modificarea condițiilor procesului de extrudare, prin studierea coagulării cu conținut ridicat de solide și prin optimizarea etapelor de coagulare și spălare, se poate produce prin extrudare cazeină acidă de o calitate acceptabilă. Acest proces este continuu, controlabil, utilizează SMP cu conținut ridicat de solide și poate reduce necesarul de forță de muncă și de spațiu în comparație cu procesele convenționale. Acest material poate servi ca hrană pentru o conversie ulterioară prin extrudare în cazeinat de sodiu, care va fi discutată într-o lucrare ulterioară.”

Zoom

Fig. 20.6

Un sistem de gătire prin extrudare.

Utilizări ale cazeinelor și cazeinaților

Cazeina renetă

Cazeina renetă este un produs diferit de cazeina acidă. În industrie, aceasta este utilizată în principal la producerea de substanțe artificiale din categoria materialelor plastice. Cazeina polimerizată cu formalină este cunoscută sub denumirea de galalit, iar fibrele sintetice din cazeină sunt cunoscute sub denumirea de lanital. În ciuda ofertei mari de diverse materiale plastice care concurează direct cu galalitul, există încă o anumită cerere de cazeină pentru producția de galalit. Cantități mici de cazeină de cheag sunt, de asemenea, utilizate ca materie primă pentru brânza topită. Cazeina de cheag este insolubilă în apă.

Cazeina acidă

Cazeina acidă domină piețele mondiale. Este utilizată în industria chimică ca aditiv în fabricarea hârtiei pentru glazurarea hârtiei de calitate fină. Pentru aplicațiile din industria hârtiei, este deosebit de important ca cazeina să fie lipsită de grăsimi și să nu conțină particule de materii străine sau arse care ar putea face pete pe hârtie. Pentru a obține un conținut extrem de scăzut de grăsime în laptele degresat, acesta trebuie să fie trecut printr-o instalație de microfiltrare (MF) în combinație cu pasteurizarea. Fiecare industrie are propriile specificații stricte de calitate. Industriile de vopsele și cosmetice sunt, de asemenea, mari utilizatori de cazeină.

Cazeinat de sodiu

O aplicație a cazeinei de o importanță crescândă este utilizarea acesteia ca materie primă pentru fabricarea cazeinatului de sodiu. Cazeina este ușor de dizolvat într-un alcalin diluat, iar lichidul este apoi uscat prin pulverizare până la obținerea unei pulberi. Această pulbere este mult mai solubilă decât cazeina și este din ce în ce mai utilizată de industria alimentară. Este adesea folosită ca emulgator în mezeluri și se regăsește într-o serie de produse noi, cum ar fi înlocuitorii laptelui și ai smântânii.
Deoarece cazeinatul de sodiu este foarte vâscos atunci când este dizolvat, concentrația maximă care poate fi obținută este de 20% la 55 – 60 °C.

Cazeinat de calciu

Pentru anumite aplicații, cazeinatul de calciu poate fi ales în locul cazeinatului de sodiu, unul dintre motive fiind dorința de a reduce la minimum conținutul de sodiu al produsului.
Vâscozitatea cazeinatului de calciu este ceva mai mică decât cea a cazeinatului de sodiu la aceeași concentrație.

Coprecipitat de calciu

Acest produs poate fi, de asemenea, dizolvat în alcalin și uscat prin pulverizare și are cam același domeniu de aplicare ca și cazeinatul; cu toate acestea, în producția de co-precipitat de calciu, este posibil să se adapteze procesul în scopul reglării culorii, solubilității și conținutului de cenușă în mai mare conformitate cu cerințele utilizatorilor.
Unul dintre cele mai importante avantaje ale cazeinei și cazeinatului din punct de vedere nutrițional este conținutul relativ ridicat de lizină, un aminoacid esențial. Mai mult decât atât, testele au arătat că lizina se păstrează mult mai mult timp, datorită absenței lactozei din mediul înconjurător. Acest lucru sugerează că proteinele din lapte pot fi depozitate mai convenabil sub formă de cazeină și cazeinat decât, de exemplu, sub formă de lapte praf uscat.
Cazeina produsă pentru uz industrial trebuie să satisfacă cerințe de puritate chimică stabilite de mult timp. Noua tendință arată că cazeina și precipitatul sunt produse intermediare care se regăsesc într-o multitudine de produse alimentare și, prin urmare, trebuie să satisfacă cerințe stricte în ceea ce privește puritatea bacteriologică, precum și cea chimică.
Liniile de proces trebuie să fie proiectate și construite astfel încât să asigure condiții igienice de fabricație. Deoarece cazeina este mult mai mult un produs sezonier decât multe alte produse lactate, trebuie să se asigure posibilitatea de a face să funcționeze linia de producție în mai multe schimburi, fără o cerere nejustificată de forță de muncă manuală. Consumul de apă trebuie, de asemenea, să fie menținut în limite rezonabile.
De aceea, în aceste condiții, este interesant să se poată planifica linii de producție continue, de exemplu, încorporând mașini centrifugale pentru deshidratarea cazeinei și recuperarea pierderilor de cazeină din zer și din apa de spălare.