ASPECTE GENERALE ALE UTILIZRII PROCESELOR DE MEMBRAN N INDUSTRIA LAPTELUI

Industria laptelui este fr ndoial domeniul n care procesele de membran au o larg aplicare, fiind utilizate n cele mai diverse scopuri, de la concentrarea sau fracionarea componentelor i pn la separarea macro sau micro componentelor i a celulelor microbiene (tabel 8.1 v. i tabel 1.1).Tabelul 8.1Aplicaii ale separrii prin membrane n industria lapteluiProcedeul de separarePresiune,barPorii membranei mAplicaii n industria laptelui

Osmoz invers OI3060104-10 -3Concentrare prin eliminarea apei (a laptelui,zerului,permeatulului UF)

Nanofiltrare NF204010 -310-2Concentrarea componentelor organice prin ndeprtarea parial a ionilor monovaleni (demineralizarea parial a zerului, permeatului sau retentatului UF)

Ultrafiltrare UF11010-210-1Concentrarea / fracionarea componentelor macromoleculare (concentrarea proteinelor din lapte i din zer, standardizarea concentraiei de proteine din laptele utilizat la fabricarea brnzeturilor,produselor lactate acide etc.)

Microfiltrare MF< 110-1101Eliminarea microorganismelor, Separarea macromoleculelor (reducerea coninutului de microorganisme din laptele degresat,zer,saramur,degresarea zerului destinat CPZ* i fracionarea proteinelor)

*CPZ concentrat proteic de zer n Cap. 1. s-a artat c , n ultimii douzeci i cinci de ani,ncepnd cu anii '70,tehnicile de membran s-au extins n numeroase domenii ale industriei laptelui. Caracteristicile proceselor de separare prin membrane aplicate n tehnologia laptelui i a produselor derivate sunt prezentate n fig. 8. 1. O evaluare n timp a aplicaiilor separrii prin membrane n industria alimentar, n general, i n industria laptelui, n particular, evideniaz o reorientare a modului de abordare a obiectivelor. n trecut, s-a urmrit, n principal, dezvoltarea unui tip determinat de membran, utilizarea acesteia pentru un anumit proces i obinerea unui produs. Tendina actual este de integrare a procesului de obinere a membranei,a caracteristicilor funcionale ale acesteia i a fabricrii produsului dorit. Se urmrete, deci, realizarea de membrane specializate pentru un anumit produs sau chiar pentru mbuntirea unei caracteristici determinate a acestuia.

Fig. 8.1. Caracteristicile proceselor de separare prin membrane aplicate n industria laptelui n capitolele urmtoare vor fi prezentate principalele aplicaii ale tehnicilor de membran, extinse la nivel industrial, n tehnologia laptelui de consum i a produselor lactate acide, a brnzeturilor, pentru tratarea zerului etc. Este de remarcat c n ara noastr aceste tehnici moderne,cu avantaje certe att sub aspect nutriional ct i economic,sunt aplicate n prezent n industria laptelui doar la S.C. UNTIM S.A. Timioara,care deine o instalaie de fabricare a brnzeturilor prin UF. 8.1 Caracteristicile laptelui i ale zerului n corelaie cu procesele de membran Compoziia laptelui Laptele este un amestec complex de lipide,proteine,glucide i substane minerale n ap. Lipidele sunt reprezentate n principal de trigliceride,proteinele de cazeine i de fraciunea proteic din zer iar glucidele de lactoz . n afara acestora, n lapte sunt prezente n cantiti mai reduse i alte componente ca : fosfolipide, vitamine, enzime, gaze dizolvate etc.Majoritatea apei prezent n lapte, aproximativ 87%, este sub form liber, ns o cantitate redus este reprezentat de apa de hidratare a lactozei i srurilor minerale precum i de fraciunea legat de proteine. Compoziia medie a laptelui de vac este prezentat n tabelul 8.2.

Compoziia laptelui de vac Tabelul 8.2.

ComponenteConcentraie

Proteine g/l

Cazeine (CN)2428

s1-CN : A, B, C, D12-15

S2-CN : A, B, C, D34

-CN : A1, A2, A3, B ,C, D, E911

-CN : A, B34

Fraciuni CN

1 ,2 ,3 din -CN12

Proteinele zerului (PZ)

-Lactoglobulina A, B , C, D57

-Lactalbumina A, B24

Serumalbumina11,5

Imunoglobulina0,10,4

Proteoze-peptone din degradarea -CN i PZ0,61

Lipide g/lConcentraie

Triacilgliceride32-46

Diacilgliceride0,10,17

Monoacilgliceride0,0090,013

Colesterol0,10,15

Esterii colesteroluluiurme

Acizii grai liberi0,0090,013

Fosfolipide0,20,3

Lactoz g/l4452

Substane minerale* g/l

Total7,5

Ca1,4 (0,5)

Mg0,1 (0,08)

P anorganic0,96 (0,036)

Citrat1,6 (1,4)

Na0,59

K1,4

Cl1,1

Componente NNP mg/lConcentraie

Amoniac7

Aminoacizi4

Uree100

Creatin15

Acid uric7

Acid orotic75

Acid hipuric45

Vitamine g/l

A300

D0,4

E1,0

012

Kurme

B1400

B21500

Niacin700

B6700

Acid pantotenic3000

Biotin50

Acid folic1

B127

C20000

*Concentraie total, cu indicarea fraciunii solubile ntre paranteze

Dimensiunea molecular a componentelor Dimensiunea moleculelor, exprimat n mod obinuit prin mas molecular (Da,kDa sau kg/kmol), este important pentru aprecierea comportrii acestora n procesele de separare prin membrane. Considernd c moleculele componentelor laptelui au o form sferic i o densitate apropiat de unitate, diametrul acestora are valoarea indicat n tab. 8.3.

Tabelul 8.3Dimensiunile moleculare ale principalelor componente din lapteComponenteMas molecularDiametru, nm

ProteineCazein (micele)10710925130

Serumalbumin bovin670005

-lactoglobulin (dimer)360004

-lactalbumin142003

GlucideLactoz3420,8

Substane mineraleCalciu (ion)400,4

Clor (ion)350,4

Ap180,3

n afara acestor componente, n lapte exist globule de grsime cu dimensiunea cuprins ntre 0,1 i 10 m. Un numr foarte redus de globule (aprox. 5%) se situeaz n afara acestor limite. Masa molecular a vitaminelor este, n general, redus (B1 301, B2 376, B6 170, C 176, biotina -244, acidul nicotinic 122, acidul pantotenic -219), fiind capabile s traverseze membrana de UF.Densitatea Densitatea laptelui integral este cuprins ntre 1,032 i 1,034 g/ml la 15oC, cu variaii reduse determinate de concentraia componentelor ce au valori diferite ale densitii (grsime 0,93; proteinele 1,34; lactoz 1,67; SUN 1,62; substane minerale 2,50). Cu creterea temperaturii, valoarea densitii scade; pentru laptele degresat, densitatea scade de la 1,037 g/ml, la 15oC, la 1,021 g/ml, la 50oC (temperatura de UF). n cursul UF, densitatea laptelui concentrat crete n conformitate cu datele din fig. 8.2 [3]. Densitatea laptelui concentrat prin OI de 3x este de aproximativ 1,09 g/ml.

Fig. 8.2. Corelaia dintre densitatea laptelui i factorul de concentrare (Fc, din relaia 7.9)

Vscozitatea Vscozitatea laptelui integral este de aproximativ 2 cP, la 20oC, i prezint o cretere important prin mrimea gradului de concentrare. Astfel, pentru valori ale concentraiei de proteine peste 14% (cca. 34% SU), vscozitatea laptelui integral crete foarte rapid. O tendin similar se nregistreaz pentru laptele degresat la peste 20% proteine (cca. 27% SU). Din datele lui Kristiansen .a. [4] se pot desprinde valorile prezentate n tabelul 8.4.Tabelul 8.4 Corelaia dintre concentraia de proteine i valoarea vscozitiiLapte integralProteine, %610141820

Viscozitate, cP261540180

Lapte degresatProteine, %14182224

Viscozitate, cP21050110

1 cP = 10-3Pa.s Dintre componentele laptelui cazeina influeneaz n cea mai mare msur valoarea vscozitii, astfel c toi factorii care i afecteaz stabilitatea determin modificarea vscozitii (pH, tratamentul termic, echilibrul salin, enzime); vscozitatea concentratelor scade n msur important printr-o uoar reducere a pH-ului. Dac la pH 6,5 vscozitatea concentratului (30%SU,21% proteine) este 951 cP, la pH 6 aceast valoare scade cu 63% pn la 349 cP. Temperatura are o influen important asupra vscozitii : de la 2 cP, la 20oC, scade la 1 cP la 50oC, pentru laptele normal i, de la 14 cP, la 20oC, scade la 4 cP, la 50oC, pentru laptele concentrat de 2,5.SolubilitateaDintre componentele cele mai solubile ale laptelui, lactoza este n proporia cea mai mare (cca. 50 g/l n laptele de vac).Solubilitatea lactozei n ap are valori dependente de temperatur :

Temperatur, oC 20 40 60 80 90Solubilitate, g/100 g ap 18 35 60 105 140 La temperatura de UF de aproximativ 50oC nu exist riscul cristalizrii lactozei n concentrat deoarece o bun parte din aceasta trece n permeat. n procesul de OI, lactoza este reinut de membran , concentrndu-se n retentat. Prin rcirea acestuia, exist posibilitatea cristalizrii lactozei. ntr-un retentat de lapte sau zer, concentraia lactozei poate ajunge la 15%, cu limit de solubilitate la 10oC. Dintre substanele minerale din lapte, fosfatul de calciu, Ca3 (PO4)2, este n soluie saturat n faza apoas a laptelui. O fraciune a fosfatului de calciu este legat de micelele de cazein. Aproximativ 1/3 din calciul din lapte exist sub form de combinaii solubile. De remarcat c solubilitatea fosfatului de calciu se reduce prin creterea temperaturii (0,04% la 20oC i 0,024% la 70oC). n procesul de UF, fosfatul de calciu trece prin membran n timp ce n OI este reinut pe membran i concentraia sa crete n retentat.Presiunea osmotic Presiunea osmotic este o caracteristic important pentru procesul de osmoz invers. n lapte i zer, contribuia cea mai important la valoarea presiunii osmotice o are lactoza i substanele minerale i, n mai mic msur, substanele macromoleculare. Valoarea presiunii osmotice este comparabil pentru laptele integral, laptele degresat i zer, care au concentraii similare de lactoz i substane minerale. Corelaia dintre presiunea osmotic a laptelui degresat i zerului n funcie de gradul de concentrare realizat prin OI este prezentat n tabelul 8.5.

Tabelul 8.5Corelaia dintre factorul de concentrare i presiunea osmotic n OIProdusFactor de concentrareSubstan uscat, %Presiune osmotic, bar

Lapte degresat19,57,7

1,61517,4

2,62527,4

Zer16,76,8

2,21521,6

3,72534,9

Compoziia zeruluiPrincipalele componente ale zerului provenit de la fabricarea brnzeturilor prin coagulare enzimatic (zer dulce) i zerului rezultat la fabricarea cazeinei prin precipitare cu acizi (zer acid) sunt prezentate n tabelul 8.6.

Tabelul 8.6Compoziia zerului (g/l)Tipul zeruluiSULactozProteineGrsimeCenuNNP Acid lactic

Zer dulce70495,53642

Zer acid70516,5174

NNP azot neproteic Zerul dulce are un pH cuprins ntre 5,86,6, dependent de caracteristicile procesului de fabricare a brnzeturilor de la care provine; pH-ul zerului acid este ntre limitele 4,04,4. Sub aspectul proceselor de membran exist dou deosebiri importante ntre cele dou tipuri de zer. Zerul acid conine fosfat de calciu, care nu exist n zerul cheag, participnd la formarea stratului de polarizaie la suprafaa membranei. ns, este de remarcat c pH-ul sczut al zerului acid determin o cretere a fluxului de permeat. Marshall i Harper [5] arat c fraciunea proteic din zer reprezint 5,56,5 g/l, fiind format, n principal, din urmtoarele componente : -lactoglobulin (5565%), -lactalbumin (1525%), imunoglobuline (1015%), proteoze - peptone (1020%) i serumalbumin (56%). Sub aspectul caracteristicilor fizico-chimice, care intereseaz separarea prin membrane, aceste fraciuni se deosebesc prin masa molecular, volumul hidrodinamic i prin valoarea punctului izoelectric (pl sau pHi). Serumalbumina are o mas molecular de 6700, cu pHi de aproximativ 4,8 i dimensiunile de 11,62,72,7 nm. -Lactoglobulina se prezint sub form dimeric (ntre pH 5 i 8) cu masa molecular 36000, pl 5,18 i raza Stokes de 2,68 nm.-Lactalbumina are o mas molecular de 14000, pl 4,8 i dimensiunile de 2,32,64,0 nm. Imunoglobulinele au o mas molecular ntre 80000 i 900000 i un pl n limitele 5,38,3 iar proteozo-peptonele au masa molecular cuprins ntre 4000 i 80000 iar pl ntre 5,1 i 6,0.8.2. Retenia componentelor laptelui i zerului n procesele de membran n Cap. 2 i 6 s-a artat c membranele se caracterizeaz prin dou mrimi fundamentale : retenia corelat cu capacitatea de excludere (cut-off); selectivitatea sau capacitatea de separare a unei singure specii moleculare dintre cele prezente n soluie.Pentru aplicaiile industriale ale proceselor de membran, este important s se cunoasc factorul de retenie R, exprimat prin fracia sau procentul dintr-o component din produsul separat (lapte/zer) reinut de membran i care se va regsi n concentrat. Exist mai multe lucrri n care s-a examinat repartiia componentelor laptelui n concentrat i permeat. Green i alii au utilizat relaia (1) pentru a determina retenia : (FC component FC ap) R (%) = 100 (1) (FC g, c FC ap)

n care : R (%) - retenie procentual; FC - concentraia unui component n retentat divizat prin concentraia sa din laptele original; g,c - grsimea i cazeina.Aceast ecuaie evalueaz componentele din permeat numai prin bilan masic. Ea permite calculul reteniei medii a unui component pe baza coninutului su n laptele original. n plus, prin aceast ecuaie, nu poate fi stabilit retenia instantanee, la un anumit moment n cursul UF. Retentatul poate fi determinat n mai multe puncte ns retenia nu poate fi calculat dect ca o medie (de la nceputul UF i pn n momentul recoltrii probei). De regul, n practic, este necesar s se stabileasc instantaneu dac raportul componentelor laptelui n permeat i retentat se modific n cursul UF, ceea ce nu este posibil cu ecuaia (1).

Peri i alii au calculat retenia cu relaia (2) : R = 1 - (2)n care : Cp - concentraia unui component n permeat ; Cr - concentraia componentului n retentat. Ecuaia (2) nu ia n considerare factorul de concentrare, FC. Autorii nu consider c procesul de concentrare se realizeaz numai prin ndeprtarea fazei apoase. De aici, rezult valori negative pentru retenie, presupunnd c substanele din permeat se concentreaz sau c unele componente cu retenie negativ trec prin membran mai rapid dect apa. De exemplu, dac lactoza dintr-un retentat obinut prin concentrarea de 5 a laptelui degresat (fr diafiltrare sau acidifiere) a fost de 3,33 g/100 g retentat i concentraia n permeatul corespunztor a fost de 5,09 g/100 g permeat, retenia lactozei dup ecuaia (2) este -53%. Glover sugereaz c valorile de retenie pentru moleculele parial reinute s fie exprimate pe baza fraciei apoase. Pentru aceasta, concentraiile componentelor parial reinute trebuie s fie exprimate nu ca procent din retentat ci ca procent din faza apoas a retentatului. n acest caz, concentraia tuturor componentelor parial reinute este dat de relaia (3) :

X n soluie = 100 (3)n care : X procentul unei componente n retentat sau n permeat. Substituind ecuaia (3) n ecuaia (2) se obine ecuaia (4) pentru calculul reteniei componentelor reinute parial :

(4)

Retentantul i permeatul din exemplul menionat mai sus au 60,69 % i, respectiv, 93,64 % ap. Retenia lactozei, dup relaia (4), a fost de 0,9 %. Relaia (4) permite determinarea reteniei la un moment dat n cursul UF. Ea compar micarea componentelor parial reinute cu micarea apei prin membran. Deoarece coninutul componentelor n retentatul final este important (de ex. pentru fabricarea brnzeturilor), s-a produs un nou termen, procentajul recuperrii, definit prin ecuaia (5) :

Recuperarea (%) = (5)

Grsimea este reinut 100% n procesul de UF , astfel nct calculul masei de retentat este posibil utiliznd kg de lapte, % de grsime n lapte i n retentat. Acelai calcul se poate face folosind % cazein din lapte i retentatul obinut din laptele degresat. Pentru a obine masa componentei n retentat, % acesteia din retentatul final s-a multiplicat cu masa retentatului. S-a constatat c n procesul de UF retenia componentelor laptelui integral este independent de presiune, viteza fluidului i temperatur, fiind, ns influenat de concentraie. Membranele UF rein n ntregime grsimea i, n proporie de pn la 99%, proteinele. n cazul laptelui degresat, se nregistreaz o uoar influen a temperaturii, care, la 50oC, favorizeaz trecerea unei fraciuni din proteinele zerului prin membran, n comparaie cu UF la 5oC. Se apreciaz c aceast comportare este determinat de modificri structurale ale membranei i de faptul c, la temperaturi mai mici, fenomenul de polarizaiei de concentraie este mai intens. Coeficientul de retenie a lactozei este de aproximativ 10%. Reinerea substanelor minerale depinde de forma n care acestea exist n lapte : libere n soluie sau parial legate de proteine (calciu, magneziu, fosfat, citrat). Retenia mineralelor libere este zero pentru toate tipurile de membrane. Concentraia substanelor minerale n permeat este, prin urmare, egal cu concentraia acestora n faza apoas a laptelui iar factorul de concentrare al fraciunii minerale legate de proteine este identic cu cel al proteinelor. Brule i alii arat c raportul ntre calciul solubil i total variaz cu factorul de concentrare i se poate determina cu relaia : (6) n care : Cas - calciu solubil ; CaT - calciu total ; Fc - factor de concentrare ; Ca1 concentraia de calciu n lapte; Cap concentraia de calciu n permeat. Valoarea pH-ului influeneaz n msur important repartizarea calciului n form liber i legat. n fig. 8.3 se prezint variaia coninutului de calciu n retentat i n permeat, n funcie de factorul de concentrare, la valori diferite de pH. n laptele normal, cu pH 6,6, raportul Cas/CaT este de 29%, ns la pH 5,4 crete la 67 %. n cazul UF la Fc 1 a laptelui normal, proporia de calciu n lapte este de 0,125% iar n permeat de 0,04%. Pentru substanele azotoase neproteice (NNP), coeficienii de retenie sunt n general ntre 20 i 40% i chiar peste aceste valori, la un factor de concentrare ridicat. Dintre componentele acestei fraciuni trec prin membran n special ureea i aminoacizii, care au un coeficient de retenie apropiat de zero.

Fig. 8.3. Repartizarea calciuluin retentat i n permeat nprocesul de UF a laptelui

Compoziiile concentratului i permeatului rezultate dintr-un proces de UF laptelui integral este indicat n tabelul 8.6.

Tabelul 8.6Compoziiile concentratului/permeatul UF Componente, %Factor de concentrare

1 3 5

ConcentratSUT 12,9 28,6 43,3Grsime 3,9 12,6 21,8Proteine 3,1 9,8 16,1NNP 0,18 0,18 0,18Lactoz 4,7 4,1 3,2Cenu 0,77 1,3 1,9PermeatSUT 5,7 6,1 6,7Proteine 0 0,06 0,49NNP 0,18 0,18 0,19Lactoz 4,8 5,1 5,2Cenu 0,53 0,53 0,54

Din datele prezentate, se confirm valorile stabilite experimental pentru retenia componentelor laptelui n UF. n cazul zerului , retenia componentelor depinde nu numai de caracteristicile membranei ct i de tratamentul preliminar ala cestuia (acidificare, decalcifiere, demineralizare). Hiddink i alii au stabilit c cea mai redus retenie a proteinelor din zerul de la brnza Gouda este la pH 3,0 (84%) n comparaie cu 91% la pH 6,6 i 7,5. Pentru zerul demineralizat, retenia proteinelor la pH 6,6 crete la 94%. Retenia lactozei din zerul acid este mai mare dect din zerul dulce iar valorile pentru substanele minerale variaz mult cu variaiile pH-ului i tratamentele preliminare. La valori mari de pH, retenia substanelor minerale este atribuit precipitrii fosfatului de calciu i legturii dintre calciu i proteine. n cazul OI, toate toate componentele laptelui, cu excepia apei i a unor ioni, sunt reinute de membran. Unele experimente efectuate cu lapte degresat utiliznd membrane din acetat de celuloz, la un factor de concentrare de 2, au evideniat o retenie pentru totalul substanelor minerale de 99,3%, pentru Ca2+ i fosfai de 99,9%, K 98,2% i Na 95,3%. Vitaminele sunt reinute de membran n proporii cuprinse ntre 92 i 100%. O serie de cercettori a urmrit retenia componentelor laptelui acidificat, eventual tratat printr-un procedeu combinat de UF/DF. Green i alii au examinat retenia componentelor laptelui n laptele integral normal, acidifiat, sau n care s-a adugat citrat, concentrat pn la 4. Indicele de retenie a fost de 100% pentru grsime, cazein i cobalamin, de 35% pentru vitamina B6 i de 15% n cazul vitaminei B2. Retenia acidului folic a fost de 40% n retentatul acidifiat i 80% n retentatul neacidifiat. Acidificarea sau adaosul de citrat reduce retenia Ca, P, Mg, Cu i Zn; Zn a fost cel mai rezistent la solubilizarea cu acid sau citrat. Peri i alii au studiat UF i DF laptelui degresat (neacidifiat) constatnd o retenie de 1014% pentru lactoz, 1528% din Na, 2023% din K i 7695% n cazul Ca. Retenia acestor componente a fost determinat prin stabilirea raportului concentraiilor din permeat/retentat n diferite momente ale procesului. Retenia calciului crete semnificativ n cursul UF i DF, sugernd variaia acestui indice n astfel de procese. Covacevich i Kosikowski [16] au studiat repartizarea componentelor laptelui degresat n permeat i retentat n cazul DF i acidifierii (prin fermentarea retentatului n procesul de UF). Autorii au constatat o retenie n concentratul obinut prin UF direct (fr DF sau acidifiere) a componentelor laptelui n urmtoarele proporii : 7,54% lactoz, 96,2% Ca, 89% P, 47% Na i 42% K. DF reduce proporia de lactoz proporional cu coninutul de ap adugat iar fermentaia lactic (cu sau fr DF) scade concentraia de cenu din retentat cu 1%. Bastian i alii au urmrit distribuia componentelor laptelui integral proaspt i acidifiat n cursul procesului de UF i DF. Dup analiza retentatului i permeatului, s-a calculat retenia i recuperarea grsimii, N total, N coagulabil cu cheag, lactozei ,Ca, Na, P i riboflavinei. Retenia depinde de proporia concentraiilor componentelor n permeat/retentat. ndeprtnd permeatul din laptele neacidifiat crete retenia N total, Ca, Na, P i riboflavinei. Au fost reinute n ntregime grsimea i N coagulabil i 1% din lactoz. Retenia lactozei, Na, P i riboflavinei a fost mai mare n cursul DF dect a UF laptelui neacidifiat, ns, recuperarea N total, lactozei, Ca, Na, P i riboflavinei a fost mai redus. DF laptelui acidifiat determin o retenie mai mic a Ca, P, Na i riboflavinei n comparaie cu DF laptelui neacidifiat. Modificrile reteniei n cursul procesului de UF depind de gradul de concentrare, diafiltrare i acidifiere. Preamaratne i Cousin [10] au examinat modificrile compoziiei n cursul UF laptelui degresat concentrat de 2,4 i 5 (tabelul 8.7).Tabelul 8.7Modificrile concentraiilor principalelor componente ale laptelui degresatFactor de concentrareSUT*, %Proteine, %Grsime, %Lactoz, %

Lapte degresat9,193,420,115,06

212,726,850,244,76

417,8012,940,454,29

523,9117,100,604,06

SUT* - substan uscat total Concentraiile de proteine i grsime cresc proporional cu gradul de concentrare. Deoarece lactoza este prezentat n laptele degresat n form liber i are o mas molecular sub valoarea masei de excludere (cut-off) a membranei UF, ea trece n permeat. Rezultatele obinute n studiul menionat indic valori pentru retenia proteinelor de 96% i pentru grsime de 99%. Substanele minerale cu dimensiunea moleculei mai mic dect porii membranei dar, asociate cu proteinele i grsimea, se concentreaz n retentat, ns, ntr-o proporie mai redus dect proteinele i grsimea. Retenia mai mare a Ca2+ i Mg2+ este datorat asocierii lor cu proteinele laptelui. S-a constatat c retenia Ca2+ este mai mare la temperaturi ridicate din cauza asocierii mai energice cu proteinele din lapte nsoit i de o solubilitate mai redus la temperaturi superioare. Concentraiile de tiamin, niacin, acid pantotenic i biotin scad pe msur ce laptele este UF. Proporia fiecrei vitamine n retentat reflect starea liber sau legat a acesteia. Riboflavina se gsete legat cu proteinele n proporie de 5 la 35%, ceea ce explic pierderile mici n permeat, spre deosebire de tiamin, acid pantotenic i niacin, care sunt , n majoritate, sub form liber (8395%, 7284%, respectiv 99%). Aminoacizii trec n permeat n proporie important, astfel nct, dup o concentrare de 5, reducerea maxim este, pentru serin, de 98% iar cea minim, pentru metionin, de 50%. Aceasta prezint importan n cazul utilizrii retentatului ca substrat pentru culturile de bacterii lactice care utilizeaz aminoacizii pentru cretere i multiplicare.

Capitolul 9 APLICAII ALE PROCESELOR DE MEMBRAN N TEHNOLOGIA LAPTELUI DE CONSUM I A VALORIFICRII PROTEINELOR DIN LAPTE Laptele destinat consumului uman poate fi clasificat dup tratamentul tehnologic aplicat, n dou categorii : lapte crud (fr nclzire); lapte tratat termic (prin nclzire).Laptele crud poate prezenta un interes nutriional prin conservarea unor caracteristici native ale componentelor, dar constituie un anumit risc pentru sntatea consumatorului. Laptele tratat termic, pasteurizat sau sterilizat, este lipsit de bacterii patogene i are o durat de conservare superioar. Pasteurizarea este realizat ntr-un regim temperatur/durat de meninere care asigur distrugerea bacilului tuberculozei (Mycobacterium tuberculosis), cel mai termorezistent dintre bacteriile patogene. Concomitent, se reduce i numrul total de germeni pn la valori stabilite prin standarde . Sterilizarea poate fi afectat prin procedeul convenional (100120oC/1820 min) sau prin procedeul UHT (Ultra High Temperature) (135150oC/23 s) care, datorit consumului energetic relativ redus i, mai ales, calitii laptelui obinut, este n prezent larg utilizat n industrie. nclzirea laptelui, care prezint o structur chimic i fizic foarte complex, relativ fragil, poate determina numeroase transformri ale substanelor labile (denaturri, descompuneri, deplasarea unor echilibre fizico-chimice etc.). Natura i extinderea acestor modificri depinde de intensitatea tratamentului termic aplicat. Principalele efecte ale nclzirii asupra componentelor laptelui sunt prezentate n tabelul 9.1. Sub aspect practic, nclzirea laptelui determin modificri ireversibile ale componentelor i echilibrelor din lapte care influeneaz att valoarea nutritiv ct i unele aptitudini tehnologice. n consecin, au fost cutate alte metode fizice pentru ndeprtarea microflorei din lapte, i ndeosebi, a bacteriilor sporulate termorezistente, care sunt la originea unor defecte ale laptelui pasteurizat (Bacillus cereus, Bacillus subtilis) sau ale brnzeturilor (Clostridium tyrobutiricum). Utilizarea forei centrifuge (bactofugarea) a fost o alternativ la pasteurizarea laptelui destinat fabricrii brnzeturilor, n prezent fiind utilizat cu o etap opional de sterilizare. Soluia cea mai recent se refer la separarea celulelor de microorganisme prin MF. Acesta este unul dintre primele procedee de filtrare dezvoltat comercial de firma Sartorius-Werke n Germania nc din anul 1929. Utilizat la nceput doar n cercetare, MF a fost adaptat ulterior pentru analiza bacteriologic a apei. Pn n 1963, membranele de MF au fost confecionate din nitroceluloz sau din amestec de esteri ai celulozei. Nevoia de mbuntire a rezistenei chimice i a stabilitii la nclzire a membranelor a determinat intense cercetri n domeniul unor noi materiale i metode de fabricare a acestora.

Tabelul 9.1Efectele nclzirii asupra componentelor lapteluiComponentele lapteluiTransformriConsecine

Lactoz + proteineReacia dintre gruprile aldehidice i aminice; produi de condensare colorai Reducerea valorii nutritive Formarea compuilor mbrunarea

Proteine solubile (n principal -LG) Apariia gruprilor SH active i compuilor sulfurai liberi Denaturare Apariia gustului de fiert i a unui sistem reductor Precipitarea proteinelor

Proteine solubile + cazeina Formarea amoniacului Formarea complexului k-CN + -LG Influen asupra gustului Stabilizarea laptelui prin prenclzire

Cazeina Modificarea strii micelare Degradarea moleculei (defosfo-rilare, ruperea legturilor peptidice) Precipitarea/gelificarea laptelui Flocurarea suspensiilor de CN la temperaturi nalte

Substane minerale Deplasarea echilibrului Ca/P solubil -> Ca/P insolubil Modificarea stratului superficial al micelei Stabilizarea prin prenclzire Reducerea capacitii de coagulare enzimatic Influen asupra stabilitii micelelor

n prezent, principalele utilizri ale microfiltrelor sunt pentru purificarea i sterilizarea apei, precum i n analiza microbiologic (tehnica DEFT Direct epifluorescent filter tehnique). n industria alimentar, principala lor utilizare este pentru sterilizarea apei i buturilor, n instalaii industriale cu module plane sau de tip cartue filtrante. 9.1. Eliminarea microflorei din lapte prin MF tangenial Aspectele fundamentale ale MF (sau MF tangenial engl. cross-flow microfiltration) n industria laptelui a fost analizat de Merlin i Daufin, care o apreciaz ca un proces de membran similar cu UF. n mod obinuit, procesele de MF se realizeaz la presiuni ntre 0,1 i 8 bari, relativ mai mici dect pentru UF. Colmatarea membranei i formarea unui strat limit de material gelatinos, care determin o reducere a permeaiei, sunt principalele limitri n utilizarea industrial a MF. Polarizaia de concentraie i colmatarea (vezi capitolul 6) determin formarea unei membrane dinamice datorit blocrii porilor cu particule i stratului adsorbit, care devine repede principala rezisten n hidrodinamic pentru flux i reduc performana membranei. Performanele membranelor de MF sunt determinate de dou caracteristici principale : fluxuri nalte de permeat i timp ndelungat de exploatare. Datorit naturii fluidelor de alimentare, dimensiunii porilor i a componentelor din produse, precum i a fluxurilor relativ nalte ( 105l/hm2) folosite n MF, exist tendina ca particulele mari sau agregatele coloidale s fie prinse n structura porilor, fenomen urmat de formarea unui depozit pe suprafaa membranei i crearea unui strat suplimentar de filtrare. Acest strat influeneaz procesul de filtrare independent de proprieti de retenie ale membranei iniiale. O soluie pentru prevenirea acestui fenomen este creterea vitezei tangeniale la suprafaa membranei, cu scopul de a ndeprta particulele acumulare reinute pe membran,precum i o periodic splare cu ap. De asemenea, n acelai scop, se pot utiliza promotori de turbulen pe suprafaa membranei sau o variaie a vitezei tangeniale a fluidului de alimentare (MF n sistem pulsatoriu sau agitare ideala). Merlin i Daufin apreciaz c MF este recomandat n industria laptelui pentru urmtoarele utilizri : separarea bacteriilor din laptele integral sau degresat; separarea grsimii din laptele integral; separarea micelelor de cazein de proteinele zerului; degresarea i clarificarea zerului n vederea producerii de CPZ de calitate superioar. nc din anii '70, dup introducerea modulelor de MF, o serie de autori a menionat ncercri n aceste domenii. n anul 1975, compania Alfa-Laval a nregistrat un patent privind degresarea laptelui cu membrane polimerice avnd diametrul porilor cuprins ntre 0,20n i 10 m i la o vitez de curgere relativ redus (UF>TRAn.s.UFN=UF>TRAn.s.UFN=UF>TRAn.s.n.s.n.s.t4>t2t4>t2t4>t2n.s.n.s.

Caracteristici senzorialeTrieCoeziuneElasticitateLipiciozitateEterogenitateFragilitateTRA>UFN>UFTRA=UFN>UFTRA=UFN>UFUF>UFN>TRATRA>UFN=UFTRA>UFN=UFn.s.n.s.n.s.n.s.n.s.n.s.

*UFN brnz UF nenclzit; UF brnz UF nclzit; TRA - brnz tradiional;n.s. nesemnificativ; NSA azot solubil n ap; NNP azot neproteic; NNC azot necazeinic; t4,t2 perioad de 4 sau 2 luni Tria pastei (hardness) sau fora necesar pentru a penetra proba de brnz cu dinii molari are o valoare mai mare dup 2 luni dect dup 4 luni de la fabricaie datorit faptului c fraciunea CN, care este principala component a structurii brnzei, sufer proteoliz cu slbirea structurii i nmuierea pastei. Datele referitoare la parametrii senzoriali arat c brnza tradiionala este mai tare dect brnza UF netratat termic. Probele tradiional i UF netratat prezint o coeziune mai mare a pastei dect brnza UF tratat termic. Brnza tradiional este mai fragil dect celelalte dou i mai puin lipicioas dect brnza UF netratat termic. Aceste diferene sunt datorate tehnologiilor de fabricare specifice. Brnzeturile UF rein n structura lor proteinele zerului n timp ce n brnza tradiional, aceast fraciune proteic trece aproape integral n zer. n retentatul UF nenclzit, proteinele zerului sunt denaturate. Lelievre i Lawrence consider c influena proteinelor din zer depinde de concentraia i compoziia acestora, de gradul de denaturare i de msura n care s-au agregat cu cazeina. Diferena n structura brnzeturilor UF a fost atribuit faptului c proteinele nedenaturate nu particip la formarea matricii de cazein, chiar o pot deranja. Probabil c ele acioneaz ca un produs inert n matrice. Proteinele denaturate din zer, complexate cu micelele de cazein, pot reduce interaciunile cazein-cazein din produs, alternd scheletul de baz. Deoarece tria i consistena pastei brnzei tradiionale este datorat, n mare msur, structurii de cazein, includerea proteinelor din zer face produsul mai moale. La acest efect contribuie i pH-ul mai ridicat n produsul UF. Creamer i Olson apreciaz c brnzeturile cu pH ridicat au o textur din emulsie de proteine concentrate, n timp ce brnzeturile cu pH ridicat au o textur din emulsie de proteine concentrate, n timp ce brnzeturile cu pH sczut formeaz o mas poroas din particule de cazein i grsime, ceea ce conduce la o textur granular. 11.1.4.5. Brnza Cheddar Fabricarea brnzei Cheddar este larg rspndit n Marea Britanie, Canada, Noua Zeeland, Australia i SUA, ri n care au existat preocupri pentru aplicarea UF la acest proces. Primele ncercri au fost nereuite, constatndu-se o deteriorare a aromei i structurii brnzei proporional cu creterea coninutului de SU n concentratul UF. La un factor de concentrare de pn la 2, brnza a fost satisfctoare, la 3 poate fi acceptabil ns la Fc=45 calitatea devine necorespunztoare. n prezent, brnza Cheddar UF este preparat att din retentat UF concentrat de 2 ct i de 5. n ambele cazuri este necesar eliminarea zerului. Textura, uor inferioar a brnzei UF obinut din retentat cu Fc=2, n comparaie cu produsul fabricat convenional, poate fi mbuntit prin omogenizarea retentatului UF. Folosirea retentatului foarte concentrat (Fc-45) determin apariia unor defecte cum ar fi aroma neexpresiv (plat) i o textur tare, rigid, uneori fragil. Lucrrile unor cercettori au artat c o uoar acidifiere a laptelui nainte de UF, DF retentatului i omogenizarea acestuia pot rezolva multe dintre problemele fabricrii brnzei Cheddar. Tratamentul la temperaturi ridicate a laptelui sau retentatului poate avea efect sinergic. Sutherland i Jameson au nregistrat progrese importante n fabricarea brnzei Cheddar UF prin acidifierea laptelui cu culturi de bacterii lactice pn la pH 6,26,4, n vederea reducerii coninutului mineral i prin DF retentatului obinut la Fc=5 pn la un coninut mineral i prin DF retentatului obinut la Fc=5 pn la un coninut de lactoz de 3,3%. Procesul de fabricaie propus prevede toate etapele din procedeul convenional, ns, realizate cu precauii i echipament special, deoarece coagulul este mai friabil dect cel normal. Zerul eliminat reprezint aproximativ 10% din cantitatea rezultat n procedeul tradiional. Pierderile totale de protein sunt de 16,5% fa de 24% n fabricaia convenional, ceea ce conduce la o cretere a randamentului. valorificnd cercetrile anterioare, CSIRO Dairy Research Laboratory din Australia i APV Lt. din Anglia au elaborat un procedeu pentru fabricarea brnzei Cheddar din retentat cu Fc=5, cunoscut sub denumirea de APV Siro Curd (fig. 11.19). Prin acest procedeu se obine un produs de calitate constant ridicat, concomitent cu creterea randamentului de fabricaie cu 68%.

Fig. 11.19. Schema procesului APV SiroCurd de fabricare a brnzei Cheddar Rezultatele obinute au evideniat faptul c brnza Cheddar, fabricat din retentat UF cu un coninut redus de grsime dup schema din fig. 11.20, reine mai mult umiditate, NaCl, protein total i mai puin acid lactic dect produsul similar obinut convenional. Cercetri relativ recente au fost ntreprinse pentru obinerea prin UF a brnzei Cheddar cu coninut redus de grsime. Reducerea coninutului de grsime, benefic sub aspect nutriional, afecteaz negativ caracteristicile senzoriale ale brnzei. Grsimea influeneaz consistena i textura brnzei prin umplerea spaiilor interstiiale din structura pastei format de proteine i substane minerale. Pe de alt parte, grsimea are o contribuie esenial la aroma specific. Reducerea important a coninutului de grsime conduce la o brnz Cheddar tare, uscat, rigid, cu o arom neexpresiv. Gregor i White au optimizat parametrii operaiei de UF, cu scopul de a produce brnz Cheddar cu coninut redus de grsime, de calitate superioar. n acest scop, tratamentul prin UF a fost completat cu acidifierea la pH 6,2 prin adaos de acid lactic (soluie 10%). DF a fost realizat prin concentrarea laptelui la 65% din volumul iniial i restabilirea acestui volum prin adaos de ap la 50oC. Analiza senzorial a probelor de brnz Cheddar cu coninut redus de grsime arat c acidifierea i DF mbuntesc aroma, consistena i textura, n comparaie cu proba martor, dup 12 luni de pstrare (tabelul 11.9).

Tabelul 11.9Efectul UF asupra caracteristicilor senzorialeTratamentArom (110)*Consisten, textur (15)**

Martor6,73,0

Acidificare + DF7,94,3

*10 - cea mai bun arom; 1- cea mai slab arom 5- cea mai bun consisten/textur; 1- cea mai slab ndeprtarea calciului poate modifica reeaua proteic de baz, realizndu-se condiii mai favorabile pentru formarea romei, consistenei i texturii. Totui, autorii apreciaz c brnza Cheddar obinut n acest mod are un gust plat de aceea au ncercat intensificarea procesului de maturare prin adaosul unei combinaii de proteaze i lipaze. Tratamentul enzimatic stimuleaz producerea unor acizi organici ( citric, orotic, piruvic, acetic i propionic), brnza Cheddar cu coninut redus de grsime n mai mare msur dect n produsul obinut din retentat UF (tabel 11.10). ns, acest tratament nu mbuntete semnificativ aroma, consistena i textura probelor de brnz examinate. Tabelul 11.10Efectul tratamentului brnzeturilor asupra concentraiei unor acizi organiciTratamentulaplicatPropionicAceticLactic

mg/kg

CRG*70014011600

CRG + Enz77016010300

UF CRG4501408100

UF CRG + Enz5701918600

*CRG coninut redus de grsime

Fig. 11.20. Schema procesului de obinere a brnzei Cheddar cu adaos de enzime 11.1.4.6. Brnza Gouda Spangles i alii au studiat influena unor parametri tehnologici (factorul de concentrare, concentraia de cheag i de cultur starter, preacidifierea i DF, temperatura de coagulare i durata prelucrrii) asupra caracteristicilor brnzei Gouda. Se apreciaz c utilizarea retentatului UF la fabricarea brnzei ofer cteva avantaje poteniale fa de procedeul convenional: o sinerez mai redus a zerului i o reinere mai mare a proteinelor din zer ceea ce determin att creterea valorii nutritive ct i a randamentului fabricaiei. Dac UF laptelui se face la ferm, se reduc costurile transportului, depozitrii i rcirii. S-a constatat c se poate obine brnz Gouda de bun calitate la un grad de concentrare al retentatului UF sczut sau mediu. Proteinele din zer, rezistente la hidroliz n cursul maturrii brnzei, ncorporate n brnz, pot avea o influen nsemnat asupra proprietilor senzoriale ale produsului. De altfel, s-a sugerat c sinereza zerului poate avea o importan major pentru formarea unei texturi corespunztoare. La fabricarea brnzei din retentat UF se utilizeaz o cantitate redus de cheag, care este responsabil pentru formarea unei fraciuni de azot solubil n brnza Gouda, contribuind astfel la formarea aromei i texturii. Deoarece productorul de Gouda UF urmrete obinerea unui nivel al proteolizei similar cu acela din brnzeturile convenionale, este important s se controleze variabilele procesului care afecteaz semnificativ cinetica reaciilor de proteoliz ntre care determinante sunt concentraia de cheag i temperatura de coagulare. Chimozina catalizeaz reacii de proteoliz, iar temperatura influeneaz viteza acestora. temperatura de coagulare are i un efect indirect asupra vitezei proteolizei influennd cantitatea de cheag rezidual reinut n coagul. Se consider c un coninut ridicat de cheag i temperaturi de coagulare sczute produc o hidroliz excesiv a k - CN naintea coagulrii propriu-zise iar gradul mare de hidroliz determin o cretere a agregrii micelelor de cazein n faza premergtoare procesului de tiere aplicat pentru mbuntirea texturii. Schema procesului de fabricare a brnzei Gouda UF este prezentat n fig. 11.21. Din cercetrile ntreprinse de Spangler i alii se constat c brnza Gouda UF are un coninut mai mare de umiditate i o proteoliz mai redus dect brnza convenional. Un Fc de 5 (reducere de volum de 80%) permite obinerea unui produs mai apropiat calitativ de brnza tradiional. S-a stabilit o concentraie optim de cheag de 1/3 fa de brnza convenional, valori superioare determinnd apariia gustului amar. n consecin, prelucrnd retentat UF se economisete 66% din costul cheagului. Incidena gustului amar a fost redus prin creterea temperaturii de coagulare, ceea ce determin scderea proporiei N- solubil PTA i a raportului NNP/NT, probabil datorit micorrii cantitii de cheag rezidual.

Fig. 11.21. Procesul de fabricare a brnzei Gouda prin UF Temperatura de coagulare nu are efecte notabile asupra texturii brnzeturilor. Preacidificarea laptelui la pH 4,3 determin o reducere a pH-ului brnzei, ceea ce este de dorit, deoarece brnza UF are un pH superior brnzei convenionale. DF este important deoarece s-a constatat c un nivel redus al DF conduce la descreterea gradului de maturare. De asemenea, o proporie de 3% cultur starter fa de masa retentatului asigur un pH i o umiditate a brnzei mai apropiate de cele ale brnzei convenionale. Raportat la volumul de retentat UF, cantitatea de cultur starter este mai redus dect cea utilizat n fabricaia tradiional. Prin creterea intervalului dintre coagulare i tierea coagulului nu se mbuntete sensibil textura. 11.1.4.7. Brnza Tilsit Utiliznd concentrat UF care este coagulat i prelucrat n maina Tetra Pak Tebel BV pot fi obinute att brnzeturi cu desen n seciune ct i brnzeturi cu past compact. Tratamentul ulterior al coagulului prelucrat prin tiere este realizat cu echipament specific fiecrui sortiment de brnz. Linia tehnologic pentru producia brnzei tip Tilsit prin UF, elaborat de compania Tetra Pak, este prezentat n fig. 11.22.

Fig. 11.22. Schema procesului de obinere a brnzei Tilsit din concentrat UF1-tanc lapte;2-tratament preliminar (incl. termizare);3-modul UF;4-tratamentul retentatului (incl. pasteurizare);5-tanc de amestecare;6-pompe dozatoare;7-amestectoare statice; 8-prelucrare coagul;9-unitate de tiere a coagulului;10-introducere n forme;11-scurgerea zerului i rsturnare;12-golirea formelor; 13-srare;14-maturare Laptele este supus unui tratament preliminar convenional. Dup o acidifiere facultativ a laptelui la pH 6,06,3, aceste este ultrafiltrat pn la o concentraie de substan uscat de 2540% (Fc = 35). Lactoza poate fi eliminat suplimentar, prin splare cu ap n cursul ultrafiltrrii (DF), controlnd astfel pH-ul n brnz. Valoarea pH-ului nu trebuie s coboare sub 5,1 n brnza tip Tilsit. Retentatul este rcit la temperatura de coagulare (2038oC, n funcie de tipul brnzei), coagulat i prelucrat sub form de cuburi, dup care este descrcat ntr-un sistem de formare. n cursul autopresrii, bucile de brnz sunt ntoarse de cteva ori. Uneori, brnza poate fi presat mecanic timp de 1015 minute. Srarea bucilor de brnz se face n saramur cu 2023% NaCl, la 1012oC, timp de cca. 30 de ore, astfel nct, n final, produsul va avea 1,61,8% sare. Maturarea se face la 16oC i la o umezeal relativ a aerului de 90%, cu un tratament identic celui din procesul convenional de fabricare a brnzei Tilsit. 11.1.4.8. Brnzeturi topite UF a fost utilizat pentru obinerea unui semifabricat ( cheese base ) folosit ca materie prim la fabricarea brnzeturilor topite, nlocuind brnzeturile nematurate din amestecul de topire. Procesul tehnologic prevede standardizarea laptelui la 3,8% grsime i pasteurizarea. Urmeaz rcirea la 50oC, UF la 30% SU i DF pentru reducerea concentraiei de lactoz, asigurnd, ns, fermentarea pn la pH 5,2, i o nou etap de UF la 40% SU. Procesul continu cu pasteurizarea concentratului UF, rcirea, adugarea culturii de bacterii lactice i, n final. concentrarea la 60% SU. Produsul obinut conine 30% grsime, 26% proteine i 4% substane minerale. Pentru fabricarea brnzei topite se mestec 80% concentrat UF 60% cu 20% brnz Cheddar convenional. Se apreciaz c, reducnd proporia de concentrat UF ( cheese base ) la 30%, se obine un produs finit corespunztor standardelor de calitate pentru brnza topit convenional. Kulmar i Kosikowski recomand un procedeu de obinere a brnzei hidrolizat enzimatic, n proporii cuprinse ntre 20 i 80% din produsul finit. Hidroliza a fost realizat cu lipaze i proteaze fungice la 45oC/24 h. Au fost utilizate trei tipuri de retentat: ultrafiltrat direct, ultrafiltrat direct cu fermentare simultan i dublu diafiltrat cu fermentare. Compoziia concentratului UF obinut din lapte degresat prin UF la 60oC este indicat n tabelul 11.11.

Tabelul 11.11Compoziia concentratelor UF din lapte degresatNatura concentratelor UFSUProteineLactozCenuGrsime

% din SU

Ultrafiltrare direct29,768,013,77,22,2

Ultrafiltrare direct + fermentare*31,864,713,36,19,2

Diafiltrare direct + fermentare24,891,91,96,3

*Fermentarea a fost realizat prin adaos de 1% cultur de bacterii lactice

Fig. 11.23. Schema procesului de obinere a brnzei topite Concentratul UF este amestecat cu smntn plastic, (70% grsime), amestecul fiind pasteurizat i omogenizat. Apoi, se adaug lipaza i proteaza i se termostateaz timp de 24 ore la 45oC. n vederea topirii, se amestec brnza Cheddar, concentratul hidrolizat enzimatic, eventual concentrat conservat prin congelare pentru reglarea coninutului de substan uscat, i srurile de topire (citrat trisodic i acid citric). Topirea este realizat la 75oC timp de 10 minute. Un adaos de pn la 60% concentrat UF tratat enzimatic a mbuntit calitatea brnzei topite, inclusiv sub aspectul aromei. Concentratul diafiltrat influeneaz negativ proprietile de topire ale amestecului. Fosfaii i citraii de sodiu, adugai pentru topire , dizolv gelul de paracazein prin nlocuirea calciului bivalent din complexul cazeinic. Cazeina din retentat este mai insolubil dect brnza maturat i, n consecin, n fabricaie se poate utiliza un amestec, n proporii egale, de brnz Cheddar cu grad mediu de maturare i retentat hidrolizat enzimatic. Acest raport depinde de natura brnzei utilizate, tipul i concentraia srurilor emulgatoare, intensitatea tratamentelor termice i mecanice i consistena produsului finit. n concentratul UF tratat enzimatic o parte din cazein este solubilizat, ceea ce favorizeaz topirea. Enzimele lipolitice mbuntesc aroma prin eliberarea acizilor grai. Concentratul ultrafiltrat direct conine aproximativ 4% lactoz, concentraie care poate fi redus prin DF sau fermentare cu bacterii lactice. k-Cazeina este absent n brnza topit convenional, deoarece a fost convertit n para k-cazeinat. ns, retentatul UF conine att k-cazein ct i proteinele din zer. n cursul operaiei de DF -LA i -LG se denatureaz n msur important, reducnd proprietile de topire. 11.2. Aplicaii ale MF la fabricarea brnzeturilor Degradarea substanelor proteice n procesul de maturare are implicaii majore n stabilirea caracteristicilor brnzeturilor (textur, gust, arom). Un defect frecvent al brnzeturilor este gustul amar. Peptide amare au fost extrase din toate tipurile de brnzeturi, chiar din cele cu un gust excelent. S-a constatat c trebuie s existe un nivel de concentraie, variabil cu tipul brnzeturilor, peste care gustul amar devine perceptibil. Se cunosc fragmente de cazein ce posed un gust amar pronunat. n s1-cazeina, cteva peptide amare au fost localizate n secvena N-terminal (14-17, 17-21, 23-24, 26-33). Chimozina scindeaz -cazeina n poziia Leu (192) Tyr (193), elibernd peptida C-terminal (193-203) cu gust amar. Cu ct proporia de enzim coagulant ce rmne n coagul este mai mare, cu att crete riscul apariiei gustului amar. Pe de alt parte, exist tulpini de bacterii lactice ce au capacitatea de degradare a peptidelor amare, caracterizate printr-un echipament enzimatic peptidazic. Dintre soluiile tehnologice ce diminueaz riscul apariiei gustului amar n brnzeturi se menioneaz : reducerea dozei de enzim coagulant, eventual asigurarea unor condiii improprii de activitate n coagul ( pH, temperatur); utilizarea unor tulpini de bacterii lactice care produc amino-peptidaz; reducerea temperaturii de pasteurizare a laptelui, ceea ce reduce proporia de chimozin reinut n coagul; micorarea temperaturii de maturare; intensificarea srrii brnzeturilor. O soluie nou pentru evitarea gustului amar n brnzeturi o reprezint microfiltrarea. Este cunoscut influena peptidelor amare, provenite din -cazein, asupra gustului. Prin MF, se poate stabili un raport optim ntre s-cazein i - cazein, n scopul dirijrii spectrului final al peptidelor rezultate prin proteoliz n cursul maturrii. Astfel, MF constituie o soluie eficient pentru evitarea apariiei gustului amar n brnzeturi i se poate aprecia c, n viitor, MF va fi utilizat pentru standardizarea coninutului de proteine din laptele utilizat pentru fabricarea brnzeturilor. De asemenea, acest procedeu de separare prin membrane poatefi utilizat pentru fortifierea laptelui materie prim, prin adaos de micele de cazein sub form de pulbere, obinut prin MF i uscare prin pulverizare. Combinarea MF cu sterilizarea la 130oC/4s reprezint esena procedeului Bactocatch (Alfa-Laval) utilizat la fabricarea brnzeturilor. Separarea celulelor bacteriene din lapte poate fi realizat i prin procedeul Bactotherm, rezultat din perfecionarea bactofugrii lui Simonart, n care bactofugatul separat centrifugal este tratat UHT i apoi amestecat cu laptele pasteurizat destinat fabricrii brnzeturilor. Astfel, se realizeaz reducerea cu aproximativ 98%a bacteriilor butirice sporulate fr a afecta proprietile laptelui la fabricarea brnzeturilor. Prin procedeul Bactocatch 99% din bacteriile de contaminare precum i sporii de Clostridium tyrobutyricum au fost reinute n retentatul MF, care reprezint 5% din volumul de lapte iniial. Amestecul format din 14,5 pri smntn tratat UHT i 85,5 pri de lapte degresat a fost transformat n brnz Emmental de calitate foarte bun, cu adaosul unei culturi de bacterii propionice. Procedeul Bactocatch a fost dezvoltat industrial pentru tratarea laptelui destinat fabricrii brnzeturilor (fig. 11.24). Este bine cunoscut c laptele pierde capacitatea de coagulare cnd este nclzit peste 100oC, fr adaos de calciu sau ajustarea pH-ului. n mod normal, laptele UHT nu coaguleaz cu cheag i, n consecin, nu poate fi utilizat la fabricarea brnzeturilor. Maubois i colaboratorii lui au constatat o surprinztoare proprietate a laptelui UHT ultrafiltrat, capacitatea acestuia de a coagula enzimatic i de a fi transformat n brnzeturi. Este necesar s se studieze fenomenul de separare prin membrane a laptelui i sterilizarea la temperaturi foarte nalte n fabricarea brnzeturilor.

Fig. 11.24. Sistemul Bactocatch utilizat la fabricarea brnzeturilor Kosikowski i Mistry apreciaz c, ntre avantajele rezultate prin tratarea combinat a laptelui prin separare-sterilizare, pot rezulta urmtoarele avantaje pentru industria laptelui: mbuntirea calitii i inocultii brnzeturilor prin distrugerea microorganismelor de alterare i un control mai eficace asupra celor formatoare de gaze (inclusiv Clostridium tyrobutyricum), fr a periclita dezvoltarea normal a caracteristicilor brnzei; creterea randamentului la fabricarea brnzeturilor prin faptul c nclzirea la temperaturi ridicate a smntnii i/sau retentatului denatureaz considerabil -LG i -LA care se asociaz cu coagulul determinnd reinerea acestora n brnz. 11.3. aplicaii ale OI la fabricarea brnzeturilor Glover menioneaz cteva ncercri de fabricare a brnzeturilor din lapte concentrat prin OI. De asemenea, se cunoate faptul c, prin creterea coninutului de SU (adaos d lapte concentrat sau lapte praf), se mrete randamentul la fabricarea brnzei proaspete sau a altor tipuri de brnzeturi moi. Procedeele Stenne-Hutin (SH), elaborate n Frana, utilizeaz ca materie prim laptele concentrat termic n raport 3/1. Efectele concentrrii pot fi rezumate astfel: creterea concentraiei ionilor de Ca2+, scderea pH-ului cu 0,20,3 uniti, creterea proporiei de cazein i a dimensiunii micelei de cazein, care determin o sensibilitate a cazeinei fa de chimozin. n plus, se realizeaz o legtur ntre k-CN i o component proteic a membranei globulei de grsime, avnd ca efect o mai bun reinere a grsimii n coagul. Unii autori consider c reinerea grsimii nu este rezultatul concentrrii n sine ci a unui fenomen de cuplare a micelelor de cazein din globulele de grsime, n poriunile n care lipoproteinele au fost ndeprtate prin fore mecanice (de exemplu, prin agitare). La fabricarea brnzeturilor din lapte concentrat prin evaporare se nregistreaz o cretere a randamentului cu 512% datorit ncorporrii proteinelor din zer, calitii coagulului, care, la prelucrare, nu se pulverizeaz, precum i reinerii grsimii calciului i fosforului. Fabricarea brnzei Cheddar din lapte concentrat prin OI la 15% SU a artat, de asemenea, o cretere a randamentului, apreciat ca avnd cauzele indicate mai sus. Se menioneaz c, utiliznd lapte concentrat OI, s-a reuit producerea brnzeturilor Cottage, Pte frache i Cheddar, de calitate comparabil cu a produselor convenionale. Lin i alii au investigat comportarea unui concentrat OI, cu 1718% SUN, congelat i depozitat la -20oC, la coagulare enzimatic. Concentrarea laptelui prin OI, congelarea i depozitarea retentatului pot reprezenta o soluie pentru surplusul de lapte din perioada de var. Probele au fost decongelate, reconstituite i transformate n coagul-cheag. Autorii au constatat c adaosul de Ca i Mg mbuntete structura coagulului iar creterea pH-ului scade sinereza. Coagulul din lapte crud prezint mai multe agregate proteice dect coagulul din concentrat OI, congelat i reconstituit, i are matricea mai deschis. n consecin, acesta se comport mai bine la prelucrare i sinerez i are o textur mai bun dect cel obinut din concentrat OI congelat. ns, se consider c textura coagulului poate fi controlat prin ali factori (Ca2+ , pH, temperatur) pentru a-i mbuntii caracteristicile.