Innovatív tejipari technológiák membránszeparáció alkalmazásával: Kíméletes tejfehérje frakcionálási eljárás kifejlesztése

Tardy Emília
Nyerstej minősítő laboratóriumi részleg vezetője (MTKI Kft.)

Matócza Zsigmond
tudományos tanácsadó (MTKI Kft.)

dr. Kocsis Róbert
ügyvezető (MTKI Kft.)

A MAGYAR TEJGAZDASÁGI KÍSÉRLETI INTÉZET KFT. (MTKI KFT.) ÉLEN JÁR A MEMBRÁNSZEPARÁCIÓ (MIKROSZŰRÉS, ULTRASZŰRÉS, NANOSZŰRÉS, REVERZ OZMÓZIS) TEJIPARI ALKALMAZÁSÁRA VÉGZETT ELJÁRÁSOK KIFEJLESZTÉSÉBEN, MELYEKNEK CÉLJA OLYAN ÚJ TERMÉKEK ÉS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIÁK KIDOLGOZÁSA, AMELYEK A TEJ ALKOTÓRÉSZEIT NAGYOBB HATÁSFOKKAL HASZNOSÍTJÁK.

 

A kutatás-fejlesztési munka eredményeképpen olyan új termékek valósulnak meg – tejfehérje koncentrátumok és izolátumok, sajtkészítmények, savófehérje alapú krémsajtok és desszertek, micelláris kazein és natív savófehérje izolátum -, amelyek kedvező táplálkozási értékükkel, kiváló érzékszervi és funkcionális tulajdonságaikkal, kedvező alapanyag ráfordításukkal járulnak hozzá a tejgazdaság eredményességéhez. Az ezen eljárásokkal készült termékeket Magyarországon és külföldön egyaránt gyártják. Az Intézet munkája a termékek és gyártástechnológiák kidolgozása mellett magában foglalja a gyártóvonalak és a gyártáshoz szükséges speciális berendezések tervezését, a gyártóvonalak beüzemelését, a minőség-ellenőrzés követelményeinek kidolgozását is, amelynek alkalmazása garanciát nyújt a gyártás biztonságára és a kiváló minőségű termékek előállítására.

Kéthetes óvári sajt

Az MTKI Kft. munkatársainak legújabb innovációs célja olyan nagyüzemi gyártásra közvetlenül adaptálható kíméletes, tisztán fizikai elven alapuló membránszeparaciós eljárás (hideg mikroszűrés) kifejlesztése, amellyel a tejfehérjék frakcionálása az eddig alkalmazott eljárásoknál gazdaságosabban, jobb minőségű termékeket eredményezve kivitelezhető, azáltal, hogy az eljárás során a tejfehérjék megőrzik eredeti, natív állapotukat és biológiai értéküket.

A tejfehérje, amelynek két fő komponense a kazein fehérje és a savófehérje, számos tulajdonságában, összetételében, táplálkozási értékében különbözik. A négy fő membránszeparációs eljárás (mikroszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés és reverz ozmózis), illetve azok kombinációi számos elméleti és gyakorlati lehetőséget nyújtanak a tej összetevőinek fizikai úton való szétválasztására, koncentrálására. Ezen eljárások alkalmazásának előnye, hogy lévén tisztán fizikai eljárások, a fehérjék natív állapotban maradnak, megőrizik fizikai-kémiai szerkezetüket és eredeti tulajdonságaikat.

A mikroszűrés lényege, hogy egy féligáteresztő membrán két oldala között nyomáskülönbséget hozunk létre, így a membrán pórusméreténél kisebb molekulaméretű anyagok a membránon átjutnak, míg a nagyobb molekulaméretű anyagok koncentrálódnak. A membránon átjutó anyagot permeátumnak, a betáplálási oldalon maradó anyagot retentátumnak vagy koncentrátumnak nevezzük. Tej mikroszűrése során a kazein a retentátumban dúsul, a kisebb molekulatömegű savófehérje frakciók a membránon áthaladva a permeátumban találhatóak.

Kísérleti mikroszűrő berendezés vázlatos rajza. (1. előtéttartály; 2. betápláló szivattyú; 3. szűrő; 4. recirkulációs szivattyú; 5. multicsöves hőcserélő; 6. mikroszűrő membránházak)

Az iparban jelenleg alkalmazott meleg (45-50 °C-on végzett) mikroszűrés legfőbb korlátja, hogy a mikroorganizmusok üzemelés közbeni szaporodása miatt az üzemelési idő jellemzően legfeljebb 8 óra lehet.

Világviszonylatban újdonság az Intézet által kifejlesztett, kis hőmérsékleten (10-20 °C) történő, ún. hideg mikroszűrési eljárás.

Hideg mikroszűrés alkalmazásával az üzemelési idő növelhető, így ipari méretekben az eljárás gazdaságosabban üzemeltethető (kisebb fajlagos mosási idő és vegyszerigény, a kapcsolódó berendezések kapacitásainak jobb kihasználása, a hideg üzemeltetés miatt nagyobb membrán-élettartam). Hátránya a meleg mikroszűréssel szemben, hogy az alacsonyabb hőmérsékleten a membránok szűrletteljesítménye (fluxus) csökken, ezáltal megnő a szükséges membránfelület.

Meleg mikroszűrésnél a magasabb hőmérséklet következtében csökken a tejfehérjék biológiai értéke, így romlik a belőlük előállított alapanyagok táplálkozás-élettani minősége. A hideg mikroszűréssel nyert retentátum nagyobb mikrobiológiai tisztaságú, és a benne lévő tejfehérjék megőrzik eredeti, natív állapotukat. Emellett ez a kíméletes eljárás nagy hozzáadott értékkel rendelkező termékeket eredményez. Alkalmazása komoly gazdasági előnnyel kecsegtet, ezért a hideg mikroszűrést magában foglaló komplex gyártástechnológiák iránt várhatóan nagy lesz az érdeklődés.

A fejlesztés során az MTKI Kft. célja volt a retentátumban a 95%-os kazein arány elérése a fehérjetartalmon belül, ami azért jelent kihívást, mert a hideg mikroszűrés hőmérsékletén a savófehérjék mobilitása csökken.

A kazein arány növelése a lehetséges maximumra azért nagyon fontos célkitűzés, mert a nagy tisztaságú kazein koncentrátum készítmények hőstabilitásuk miatt keresett ingrediensek a világpiacon, ugyanis előnyösen alkalmazhatóak a különféle humán gyógytápszerek előállításához.

A hideg mikroszűrés során keletkező permeátum az ún. ideális savó, amely a savófehérjéket natív állapotban tartalmazza, gyakorlatilag csíramentes, zsírmentes, fehérje-bomlástermékektől, adalékanyagoktól és oltómaradványoktól mentes és így alkalmas alapanyag kiemelkedő minőségű savófehérje ingrediensek előállítására.

A fejlesztés során célzott kísérletek segítségével meghatározásra kerültek a hideg mikroszűrés optimális paraméterei, úgymint:

– a membrán típusa (pl. membrán anyaga, névleges pórusmérete),

– a hőmérsékletet,

– a nyomásviszonyok,

– a volumenredukció,

– a diafiltráció mértéke.

A kísérletek során megállapításra került, hogy a hideg mikroszűrés során csökken a szűrletteljesítmény (az 50 oC-on mért fluxus értékek átlagosan 2-2,3-szor nagyobbak voltak, mint a 15 oC-on mért fluxus értékek). A volumenredukció, illetve ezzel összefüggésben a mikroszűrt retentátum fehérjetartalmának növekedésével a szűrletteljesítmény csökken. A retentátum fehérjetartalma a szárazanyagban legalább 80 százalék, kazeintartalma az összes fehérjetartalomban legalább 95 százalék volt.

Ezen kívül meghatároztuk a hideg mikroszűréshez alkalmazott különböző típusú membránok permeabilitását, az előállított koncentrátumok fizikai-kémiai és mikrobiológiai tulajdonságait, valamint a membránok retenciós értékeit a tej makrokomponenseire.

A hideg mikroszűréshez alkalmazott különböző típusú membránok permeabilitásának meghatározásához az élelmiszeriparban ismert két gyártó spiráltekercselt polimer membránjait használtuk. Az eredményekből számított aktuális és látszólagos retenciós értékek alapján megállapítottuk, hogy a fehérje retenció mindkét membrántípusnál kismértékben nagyobb 15 oC-on, mint 50 oC-on végzett kísérleteknél, azonban ez a különbség nem számottevő. Mindkét membrántípus esetében megállapításra került, hogy a 15 oC-on végzett mikroszűrésnél az átlagos mikrobiológiai szaporodás a vizsgált csíracsoportok esetében egy nagyságrenddel kisebb volt, mint az 50 oC hőmérsékleten végzett mikroszűrésnél.

A hideg mikroszűrés a jelenleg alkalmazott technológiáknál költséghatékonyabban, kevesebb energia és vegyszer felhasználásával üzemeltethető.

A technológia során keletkező melléktermékek feldolgozhatók további membránszeparációs műveletekkel (nanoszűrés, reverz ozmózis). Az így kapott tejeredetű víz, megfelelő fizikai kezelés után akár a tejtermékekben alkotóként, akár a berendezések, helyiségek tisztításához, fertőtlenítéséhez is felhasználható. Ezzel lényegesen csökkenthető a melléktermékek mennyisége, elősegítve a környezeti fenntarthatóságot.