مقاله مروری بر کاربردهای میکروفیلتراسیون در صنعت لبنیات

بخشی از مقاله

مروری بر کاربردهای میکروفیلتراسیون در صنعت لبنیات

چکیده
کاربرد فرایندهای غشایی در صنعت لبنیات از دهههای گذشته آغاز شده است و امروزه یکی از مهمترین تکنیکهای فرآوری در این صنعت، محسوب میگردند. میکروفیلتراسیون یکی از تکنیکهای جداسازی غشایی است که به میزان وسیعی در صنایع دارویی، شیمیایی و غذایی استفاده میشود. از نظر تکنولوژی غشایی، بین اولترافیلتراسیون و فیلترهای معمولی قرار دارد. معمولا در صنایع لبنیات به منظور تغلیظ استارترها، تصفیه آب نمک پنیرسازی و یا جداسازی چربی از آبپنیر استفاده میشود. این مقاله به بررسی کاربردهای دیگر این تکنیک در صنایع لبنیات از جمله:تولید شیر با قابلیت ماندگاری طولانی، پیشفرآوری شیر مورد استفاده در پنیرسازی، تولید آب پنیر خالص((Native Whey و کاربرد آن در جداسازی غشای گلبولهای چربی شیر، خواهد پرداخت.

کلمات کلیدی میکروفیلتراسیون، لبنیات، آبپنیر، غشای گلبول چربی شیر

.1مقدمه

تکنولوژیهای غشایی به عنوان جایگزینی عالی برای فرایندهای معمول و سنتی در صنایع شیمیایی، دارویی، بیوتکنولوژی و غذایی محسوب میشوند. نزدیک به %66 غشاهای مورد استفاده در بازار متعلق به میکروفیلترهای مختلف میباشد. در بین مواد سازنده غشاها، سه چهارم غشاهای تجاری از پلیمرها و مابقی از مواد سرامیکی، فلزی و دیگر مواد غیر آلی، ساخته شدهاند. غشاها از نظر نوع مدول به انواع لولهای، مارپیچ، فیبر میانتهی و قاب و صفحه تقسیم میشوند .[16]

میکروفیلتراسیون (MF) یکی از تکنیکهای غشایی تحت فشار است که برای جداسازی ذرات، میکروبها یا مولکولها از مایعات به کار میرود. تکنولوژی MF به طور گستردهای در صنایع داروسازی، شیمیایی و غذایی استفاده میشود. از نظر تکنولوژی غشایی بین اولترافیلتراسیون و فیلترهای معمولی قرار میگیرد. در MF غشاهایی با قطر منافذ 6/1-16 میکرومتر به کار گرفته میشود. غشاهای مدرن میکروفیلتراسیون از اندازه منافذ ویژه ساخته شدهاند که با استفاده از ترکیبی از غشاهای گوناگون می توان اجزای مختلف مایع ورودی را جداسازی نمود .[15]

.2انواع جدید غشاهای میکروفیلتراسیون در سالهای اخیر علاقه به تولید غشاهایی با قابلیت جداسازی انتخابی بیشتر، منافذ کوچکتر، خاصیت رسوب گرفتگی کمتر و همینطور مصرف انرژی پایینتر، افزایش یافته است. میکروالکها (Microsieves) برای جوابگویی به موارد بالا توسعه پیدا کردهاند اما هنوز به صورت گسترده استفاده نمیشوند. میکروفیلترهای فلزی((Metal microfilters با اندازه منافذ 2-16 μm ساخته شدهاند که منجر به ایجاد شار بالا در فاز تراویده (permeate) شده و گرفتگی کمتر منافذ غشا را به همراه دارند .[8] میکروالکهای سیلیکون غیر آلی((Inorganic silicon microsieves مقاومت پایین داشته و توزیع اندازه و شکل منافذ آنها، به صورت دقیق و یکنواخت است. غشاهای میکروفیلتراسیون پلیمری به طور معمول هیدروفیلیک هستند و اصلاح سطوح غشا برای ایجاد حالت هیدروفوبیک باعث کاهش واکنش بین پروتئین و غشا و جذب پروتئین میشود. به منظور کاهش رسوبگرفتگی در غشاهای پلیمری تحقیقات زیادی شامل پوشاندن((coating، اصلاحات شیمیایی یا پلیمریزه کردن، انجام شده است .[2]

.3کاربردهای میکروفیلتراسیون در صنعت لبنیات
.1.3تولید شیر با قابلیت ماندگاری طولانی 1(ESL)

یکی از کاربردهای میکروفیلتراسیون در کارخانه های لبنی جداسازی باکتریها و اسپورهاست. استفاده از روشMF به جای روشهای معمول و سنتی حرارت دهی مثل پاستوریزاسیون باعث کاهش تغییرات در خواص شیمیایی شیر مثل دناتوراسیون پروتئین میشود. هرچند جداسازی چربی شیر قبل از فرایند، یک مرحله بحرانی محسوب میشود. از آنجاییکه گلبولهای چربی از قطر منافذ غشاهای میکروفیلتراسیون بزرگتر هستند، تمایل به تشکیل یک لایه ژل مانند روی سطح غشا دارند که نتیجه آن کاهش شار فاز عبوری و پیچیدگی عملیات تمیزسازی غشا میباشد . بکارگیری غشاهای میکروفیلتراسیون در فرآوری شیر منجر به بهبود کیفیت میکروبی و ارگانولپتیکی شیر، امکان استفاده از سرعتهای بالای جریان، افزایش بهرهوری، کاهش هزینه عملیات و کیفیت بالاتر در مقایسه با روشهای متداول گرمایی میشود. با این حال طبق قوانین موجود در زمینه ایمنی مواد غذایی برای تولید شیر در مقیاس صنعتی باید از ترکیبی از روشهای پاستوریزاسیون و میکروفیلتراسیون استفاده نمود .[11] ایده تولید شیر با ماندگاری طولانی برای تولید شیر مصرفی و پنیر به 26 سال گذشته برمی گردد. بیشتر تجربیات در این زمینه بر اساس سیستم Bactocatch ® به دست آمده است. در این روش، شیر بدون چربی را تحت فرایند میکروفیلتراسیون قرار میدهند. فاز ناتراویده را تحت عملیات دمایی -136 115 درجه سانتیگراد به مدت 4-6 ثانیه قرار داده و با مقدار مورد نیاز خامه، مخلوط میکنند سپس فاز تراویده را یا به تنهایی و یا همراه با شیری که جداگانه تحت عملیات پاستوریزاسیون با دمای بالا و زمان کوتاه((HTST قرار گرفته، مخلوط مینمایند. نهایتاً شیری که به این طریق بازسازی شده و چربی آن تنظیم شده است را به صورت اسپتیک بستهبندی می نمایند. اندازه منافذ غشای میکروفیلتراسیون مورد استفاده 1/4 میکرومتر بوده که به منظور جلوگیری از مسدود شدن غشا و تضمین شار ثابت و بالای جریان عبوری، سیستم سیرکولاسیون ویژهای به کار گرفته میشود. در این سیستم فشار بین غشایی یکنواختی روی کل فیلتر اعمال میگردد. در روش دیگری که به منظور تولید شیر مصرفی با قابلیت ماندگاری طولانی به کار گرفته شد برخلاف روش قبلی از فاز ناتراویده که محتوی مقادیر بالایی اسپور باکتریایی است، استفاده نگردید. استفاده از میکروفیلتراسیون در اجزای اصلی شیر تغییرات ناچیزی ایجاد میکند. مقدار پروتئین به میزان خیلی کم((%6/62-6/63 کاهش یافته و در مقایسه با شیرHTST، مدت ماندگاری شیر ESL به میزان چشمگیری افزایش مییابد. به نظر میرسد تمایل به مصرف شیر ESL افزایش یافته و کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه مورد نیاز میباشد .[8]

.2.3استفاده از میکروفیلتراسیون در پنیرسازی

▪ جداسازی پروتئینهای شیر پس چرخ تکنولوژی مدرن لبنیات امکان تفکیک شیر به کازئین و پروتئینهای آب پنیر را فراهم میکند. اندازه منافذ غشاهای مورد استفاده 6/2 میکرومترمی باشد. فاز ناتراویده جهت پنیرسازی استفاده شده و فاز تراویده را میتوان به منظور تولید کنسانتره پروتئین آب پنیر خالص (Native WPC) و یا ایزوله پروئین آب پنیر خالص (Native WPI)، تحت عملیات اولترافیلتراسیون قرار داد. میسل های کازئین جدا شده میتوانند به عنوان جایگزین شیر در فرایند پنیرسازی و یا استاندارد کردن شیر مورد استفاده برای پنیرسازی استفاده شوند. با استفاده از آنها نیاز به افزودنیهای دیگر مثل کلرید کلسیم از بین میرود .[6] مزایای محتوای بالای میسل های کازئین در شیر پنیرسازی شامل موارد زیر میباشد: بهبود انعقاد آنزیمی، کاهش زمان انعقاد، افزایش استحکام لخته، افزایش میزان نگهداری چربی و کازئین در لخته به میزان %4-5، کاهش میزان استارتر، رنت و آب مورد استفاده طی تولید لخته، کاهش میزان آب پنیر به میزان بیش از%26 بسته به نوع پنیر تولیدی، امکان پاستوریزه کردن شیر مورد استفاده در دماهای بالا(-146 116 درجه سانتیگراد به مدت 16 ثانیه) بدون اثرات منفی روی تشکیل لخته که به علت کاهش تشکیل کمپلکسهای k کازئین و β لاکتوگلوبولینمیباشد، وجود ذرات کمتر کازئین و چربی در آب پنیر.

فرآوری شیر با استفاده از میکروفیلتراسیون به عنوان روشی نوین جهت استانداردسازی یا تغلیظ محتوای کازئین شیر پنیرسازی، باعث کاهش نسبت پروتئین آب پنیر به کازئین میگردد در نتیجه به عنوان یک مرحله مقدماتی در تولید پنیر، روی فرایند پنیرسازی اثر گذاشته و با استاندارد کردن میزان پروتئین پنیر تغییرات کیفی پنیر به حداقل رسیده و عملیات پنیرسازی بهبود می یابد .[10]

▪ مزایای پنیر MF نسبت به پنیر UF

استفاده از روش اولترافیلتراسیون در تولید پنیرهای نرم(مثل فتا، کاممبرت و غیره) موفق بوده است اما کیفیت پنیرهای سخت و نیمهسخت تولید شده از طریق این روش مناسب نبوده که علت آن وجود پروتئینهای آب پنیر و مقدار بالای مواد معدنی کلوئیدی (کلسیم، منیزیم و فسفر) میباشد .[4] در فرایند UF کلیه پروتئینهای شیر از جمله پروتئینهایی که به عنوان بازدارندههای پلاسمین در شیر پنیرسازی مطرح هستند، تغلیظ میشوند. پلاسمین تجزیه بتا کازئین به گاما کازئین را آغاز میکند. همچنین باعث هیدرولیز αs1 کازئین به αs1– L کازئین در pH بالا میشود. این عمل توسط کیموزین در pH پایین هم انجام میشود. غلظت بازدارندههای پلاسمین مثل پروتئین های آب پنیر و غیرفعالکنندگان پلاسمینوژن تأثیر منفی بر افزایش طعم پنیر دارد .[9] به علاوه هیدرولیز پروتئینهای آب پنیر دناتوره شده در طی رسیدن باعث ایجاد یک طعم و بافت بیمزه در پنیر UF میشود .[1] برخلاف UF با بکارگیری MF امکان تغلیظ میسلهای کازئین همراه با عبور انتخابی پروتئینهای آبپنیر وجود دارد به علاوه در اثر کاربرد توأم فرایند اسیدی کردن همراه با استفاده از MF، محتوای کلسیم و پروتئینهای آب پنیر فاز ناتراویده، کمتر میشود که نتیجه آن تولید پنیری است که مشکلات مربوط به پنیر UF را نخواهد داشت .[14] پنیر ساخته شده به وسیله MF محتوی بقایای کمتری از رنت و کیموزین است زیرا مقدار کیموزین مورد نیاز به علت انعقاد سریعتر آن کاهش مییابد .[1]

.3.3تولید آب پنیر خالص2 تولید آب پنیر خالص یکی از دلایل عمده استفاده از میکروفیلتراسیون جهت تغلیظ میسلهای کازئین در شیر پنیرسازی است. پروتئین آب پنیر به دست آمده که به نام پروتئین آب پنیر خالص((Native Whey نامیده میشود را میتوان از طریق میکروفیلتراسیون دو مرحلهای به دست آورد. در روش معمول کنسانتره پروتئین آب پنیر به وسیله اولترافیلتراسیون آب پنیر، تولید میگردد. پروتئین آب پنیر خالص یکی از اجزای با ارزش شیر بوده که دارای خواص تشکیل ژل و کف و قابلیت انحلال فوقالعاده است. به وسیله بکارگیری میکروفیلتراسیون با جریان متقاطعٌ و فشار بین غشایی یکنواخت (UTP)ٍ میتوان آب پنیر خالص را به صورت مداوم جداسازی نمود. پروتئین آب پنیر خالص به عنوان ماده اولیه عالی جهت تهیه محصولات غذایی با کیفیت بالای تغذیهای میباشد. به علت ترکیب آمینواسیدها، خاصیت تغذیهای آن نسبت به آبپنیر حاصل از پنیرسازی بالاتر است. پروتئینهای آب پنیر با درجه خلوص بالا مثل بتا لاکتوگلوبولین، آلفا لاکتالبومین، لاکتوفرین و فاکتورهای مختلف رشد را میتوان از آب پنیر خالص به دست آورد. پروتئین آب پنیر خالص فاقد سلولهای زنده و مرده میکروبی، آنزیمهای مربوط به استارترها، باکتریهای مقاوم به گرما و باکتریوفاژها است. کنسانتره پروتئین آب پنیر خالص را میتوان به عنوان جایگزین شیر مادر در تغذیه نوزادان به کار برد زیرا فاقد کازئینوماکروپپتید بوده و دارای خواص امولسیفایری بالایی است .[6]
عدم وجود کازئینوماکروپپتید در تهیه غذای نوزادان مهم میباشد زیرا میزان محتوای اسید آمینه ترئونین در آن %26 بیشتر از شیر مادر بوده و منجر به ایجاد hyperthereoninemia در نوزادان میشود بنابراین باید محتوای آن در غذای نوزادان پایین باشد .[3] جداسازی پروتئینهای تشکیلدهنده آب پنیر خالص (بتالاکتوگلوبولین، آلفالاکتالبومین و ...) توسط روشهای کروماتوگرافی قابل انجام است. همچنین به علت قابلیت تشکیل کف و خاصیت ژلهای شدن فوقالعادهای که دارد کاربرد آن در دیگر محصولات غذایی نیز، امکانپذیر میباشد. اگرچه به علت خواص ارگانولپتیک و کاربردی متفاوت، نمیتوان آنرا به جای پروتئین سفیده تخممرغ به کار برد. تحقیق در مورد خواص کابردی پروتئین آب پنیر خالص در ماتریکسهای غذایی نیازمند تحقیقات بیشتر در آینده میباشد .[6]

.4.3استفاده از میکروفیلتراسیون در جداسازی غشای گلبولهای چربی شیر (MFGM)َ
شیر گاومحتوی تقریباً % 3- 5 چربی است که به صورت گلبولها یا قطرات چربی تشکیل یک امولسیون می دهند. قطر گلبولهای چربی بین 6/2-15 میکرومتر و به طور متوسط 6/4 میکرومتر است. گلبولهای چربی به وسیله غشایی پوشیده شده که محتوی فسفولیپیدها، گلیکواسفنگولیپیدها، کلسترول و پروتئین است. غشای گلبول های چربی شیر((MFGM به عنوان عامل امولسیفایرکننده، از تجمع و فلوکهشدن گلبولهای چربی در شیر جلوگیری کرده و گلبولهای چربی را در مقابل آنزیم محافظت میکند. MFGMشدیداً تحت تأثیر فرایندهای به کار گرفته در صنعت لبنیات مثل گرما، سرما، هموژناسیون، تبخیر و خشک کردن پاششی قرار می گیرد. در نتیجه خیلی از خواص فرآوردههای لبنی مستقیماً تحت اثر این سیستم غشایی منحصر به فرد قرار دارد. در سالهای اخیر، توجه خاصی به قابلیت استفاده از MFGM به عنوان افزودنی در محصولات غذایی و غیر غذایی معطوف شده است. پروتئینها و لیپیدهای MFGM خواص فراسودمند و سلامت بخش منحصر به فردی نشان دادهاند. این خواص منحصر به فرد منجر به انجام تحقیقاتی شده که باعث بهبود روشهای جداسازی این ترکیبات از شیر میگردد. مواد مغذی MFGM را میتوان به عنوان امولسیون کننده غذاها و یا اجزای غذاهای فراسودمند و مغذی به کار برد .[13]

▪ خواص تکنولوژیکی غشای گلبولهای چربی شیر

این ترکیبات به عنوان امولسیفایر و یا جایگزینهای چربی در محصولاتی مثل مایونز، مارگارین، پودر شیر فوری و محصولات دارویی و آرایشی میتوانند به کار روند .[12] اسفنگومیلین در جلوگیری از بیماریهای مختلف مثل سرطان کولون مؤثر بوده و فسفاتیدیل کولین در مقابله با بیماریهای کبدیمؤثر است. اگرچه مکانیزم اینها کاملاً شناخته نشده است اما شناخت تکنیکهایی برای جداسازی این ترکیبات مورد نیاز است MFGM .[5] را میتوان از خامه، شیر کامل و یا دوغ کره که محصول جانبی کارخانههای کره سازی است، به دست آورد. در مقیاس صنعتی، دوغ کره به علت هزینه پایین و محتوای بالای MFGM به عنوان یک منبع مناسب محسوب میشود.[13] کوششهای فراوانی برای تفکیک اجزای دوغ کره به منظور تولید ترکیب فراسودمند MFGM انجام گرفته است. Surel و Famelart در سال 1995 برای اولین بار استفاده از میکروفیلتراسیون را برای جداسازی MFGM در دوغ کره گزارش دادند. مهمترین موضوعی که آنها گزارش کردند اندازه مشابه میسلهای کازئین و ترکیبات MFGM در دوغ کره بود که برای غلبه بر این مشکل Sachdeva و Buchheim در سال 1997 قبل از بکارگیری میکروفیلتراسیون از اسید استفاده کردند. آنها گزارش کردند که %76-77 از کل فسفولیپیدهای دوغ کره با این روش قابل بازیافت میباشد. در سال Correding 2663 و همکاران قبل از بکارگیری میکروفیلتراسیون از سیترات به منظور انعقاد کازئین، استفاده کردند . نتایج نشان داد که این روش برای تغلیظ پروتئینهای MFGM روش مؤثری است هرچند به نظر نمیرسد در مورد بازیافت بقیه ترکیبات MFGM از جمله فسفولیپیدها مؤثر