Siero del Latte | Descrizione delle Tecniche di Filtrazione  

Dallo scrittore Myprotein Leonardo Cesanelli, laureato in Scienze e Tecnologie Alimentari, laureando in Nutrition and Functional Food.

Siero del Latte

Iniziamo definendo il siero di latte come il liquido che si separa, appunto dal latte, dopo il processo di caseificazione. Esso costituisce circa l’85% del volume del latte trasformato (il resto sono per lo più caseine e parti insolubili).

La qualità del siero derivante dalla caseificazione dipende strettamente dalla composizione chimica (ad esempio percentuale proteica e di lattosio) e dalla carica microbica. Il problema legato alla contaminazione microbica è molto influente e difficilmente arginabile, per via soprattutto dell’alto contenuto in lattosio dello stesso soggetto facilmente all’”attacco” batterico.

Senza andare troppo nello specifico è comunque giusto precisare come questa soluzione ottenuta dalla coagulazione del latte risulti essere composta, in media, per un 5% da lattosio mentre le proteine ricoprono circa il 10% della composizione.

Le principali frazioni proteiche contenute nel siero risultano essere in ordine decrescente: beta-lattoglobuline; alfa-lattoalbumine e siero-albumine e un 2% costituito da frazioni minori; infine l’ultima componente degna di nota sono i minerali.

Tecniche di Smaltimento

Passiamo ora alle tecniche di “smaltimento” del siero che, nel nostro caso, non può essere considerato uno smaltimento ma un recupero e purificazione delle diverse componenti che acquisiranno un nuovo valore commerciale.

A livello teorico sono diverse le tecniche utilizzabile per il trattamento del siero ma nella pratica industriale, sostanzialmente i processi di trattamento si riducono a: essiccamento termico/membrane; depurazione biologica (siero destinato ad alimentazione zootecnica per lo più) e processi chimici vari.

Le tecniche di concentrazione termica del siero, seguita da uno stadio di essiccamento, permette di ottenere una polvere contenente tutti i soluti, ovvero: lattosio, sali minerali e proteine e risulta essere una delle tecniche più applicate a livello industriale.

Tecniche di Frazionamento a Membrana

Spendiamo però in questo articolo qualche parola in più sulle tecniche di frazionamento a membrana che, oltre a preservare la qualità dei costituenti del siero (basse temperature) consente di ottenere come sottoprodotto acqua sterile e di elevata qualità abbassando nettamente l’impatto ambientale e producendo materiale dall’elevato valore aggiunto rispetto al siero tal quale di partenza.

Difatti, fra le tecniche disponibili, quelle separative a membrana sono le uniche che consentono il recupero differenziato di tutte le componenti chimiche del siero, senza provocare alcuna denaturazione proteica.

In particolare avremo: ultrafiltrazione per il recupero di un concentrato di sieroproteine; nanofiltrazione per il recupero del lattosio e l’osmosi inversa per il recupero di acqua particolarmente pura.

Tutte queste tecniche presentano l’indubbio vantaggio, rispetto ad esempio a trattamenti termici e/o chimici, di operare a blande condizioni di temperatura (10-20 °C), senza quindi alterare le proprietà chimico-fisiche dei costituenti. I permeati risultanti saranno pressoché sterili e richiedono pertanto poche o nulle additivazioni chimiche.

Membrane

Cosa sono le membrane? Possono essere definite come filtri speciali in materiali plastici o ceramici per la maggiore, che operano in condizioni di flusso tangenziale (per consentire un basso intasamento dei pori), e, che separano le diverse molecole fra loro (sali, lattosio, proteine…) in base al peso molecolare o altre caratteristiche chimico-fisiche dei composti in soluzione.

Proviamo ad immaginare dei filtri con pori di grandezza apposita per far passare determinate molecole e trattenerne altre che verranno per l’appunto concentrate.

Dal siero alle proteine del siero

Dopo una prima fase di centrifugazione per rimuovere l’eventuale presenza di grasso, viene inviato su membrane ad ultrafiltrazione (UF) che permetteranno il recupero delle sieroproteine.

Il permeato verrà inviato a successive membrane per essere sottoposto a nanofiltrazione (NF) per il recupero del lattosio, infine il permeato della NF verrà inviato al processo finale di osmosi inversa (OI) per recuperare acqua pura.

Nell’ultrafiltrazione la forza “spingente” il siero nella membrana viene esercitata da una pressione applicata a monte e a valle del mezzo filtrante, man mano che il fluido verrà filtrato si andrà a creare una differenza di pressione detta “transmembrana”, andando man mano a separare la fase dispersa (solida) e la fase liquida (continua).

I solidi sospesi (es: proteine) vengono trattenuti sulla superficie della membrana andando a costituire il retentato.

Per quanto riguarda le proteine concentrate WPC possiamo affermare che i principali metodi di produzione accoppiano una prima fase di concentrazione termica all’ultrafiltrazione su membrana, tecniche che consentono di ottenere un prodotto che può avere dal 35 all’85% circa di proteine ma che in ogni caso conterrà oltre alle stesse lattosio, sali minerali e una componente lipidica.

Se parliamo invece di proteine isolate WPI, considerabile la forma più pura di “whey”, stiamo parlando di un prodotto con minimo contenuto di umidità, lattosio, e grassi rispetto alle concentrate. Per ottenere questo prodotto i processi produttivi sono ovviamente più elaborati, ad esempio la microfiltrazione a flusso incrociato o lo scambio ionico.

Il prodotto finale in questi casi risulterà avere un contenuto proteico che può andare dall’85 al 95 % con un valore biologico molto alto visto che il trattamento termico sarà effettuato a temperature relativamente basse.

La microfiltrazione risulta però essere un processo molto più costoso rispetto alla UF ma che come detto produrrà un prodotto con un elevato valore aggiunto, puro e che preserverà l’integrità di tutti i suoi costituenti.

Questo metodo prevede l’utilizzo di membrane con fori microscopici (100 e 200 Å), solitamente, viene preceduto da una UF da cui si ricaveranno le WPC il permeato verrà convogliato appunto ad ulteriori membrane (MF) dove verranno eliminate ulteriori particelle come lattosio grassi e minerali. Le proteine ottenute con MF risultano in media essere non denaturate per il 99% mantenendo tutte le frazioni proteiche “bio-attive”.

In sintesi

Dunque possiamo riassumere ancora una volta la strada del siero in questo modo: dopo la scrematura, il siero di latte viene trattato in MF con membrane solitamente ceramiche con taglio molecolare di 1,4-0,8 micron per trattenere nella frazione concentrata batteri e residui di grasso.

Il permeato di MF è trattato in UF con membrane polimeriche solitamente a spirale avvolta con taglio molecolare compreso tra 20 e 5 kD con lo scopo di separare la componente proteica. A questo punto il permeato di UF è trattato in NF con membrane polimeriche a spirale avvolta di circa 200 D per recuperare il lattosio.

Il permeato di NF è infine concentrato in OI con membrane polimeriche a spirale avvolta ottenendo un concentrato salino ed un'acqua purificata di origine animale (latte). Il concentrato derivante dal processo di UF, dopo un processo di evaporazione, verrà essiccato con atomizzatore a spruzzo (spray dry) per produrre la polvere sieroproteica.

Esistono ulteriori tecnologie a membrana in grado di separare le singole componenti proteiche del siero come immunoglobuline, lattoferrina e lattoperrosidasi che presentano pesi molecolari maggiori rispetto alla b-lattoglobulina e l'a-lattalbumina. Infine un ulteriore processo che può essere applicato è l'idrolisi enzimatica in un reattore enzimatico a membrana del concentrato proteico di UF per la produzione di peptidi bioattivi.

Per quanto riguarda il concentrato di NF, dopo processo di evaporazione, può essere essiccato in cristallizzatori per la produzione di cristalli di lattosio o può essere impiegato tal quale nell'industria alimentare, il concentrato di OI, dopo un'ulteriore concentrazione, può essere impiegato nelle acque di salamoia.

Il permeato di OI è invece, come detto in precedenza, un'acqua ultrapura di origine animale con un rapporto Na/K inferiore di 1, da impiegarsi come base per la formulazione di bevande o comunque da riutilizzare nel ciclo produttivo o in agricoltura.

In Numeri

Dopo aver descritto in maniera piuttosto generale, riportiamo qualche numero/dato per renderci conto delle quantità che vengono messe in gioco in questi processi.

Dal trattamento di 1000 l di siero si ottengono rispettivamente circa 10 Kg di proteine ad alto VB, 45-50 Kg di lattosio cristallino o derivati, 120 l di Sali minerali e circa 600 l di acqua pura.

Le proteine sono un nutriente essenziale per l’organismo ed il siero risulta essere uno degli alimenti più completi da questo punto di vista contenendo proteine ad altissimo valore biologico e un notevole apporto di BCAA, fondamentali per chi pratica sport.

Il discorso del valore biologico può come detto in precedenza variare in base al tipo di trattamento che il siero subirà poiché trattamenti termici troppo spinti possono compromettere la disponibilità e l’integrità proteica ed amminoacidica.

In particolare abbiamo visto come i processi a membrana soprattutto quando vengono accoppiate MF e UF consentono di ottenere prodotti integri e di alta qualità.

Per quanto riguarda il lattosio ricavato dal siero in forma cristallina più o meno purificata (NF) trova applicazione nell’industria dolciaria (produzione di cioccolato e gelato ad esempio), nella produzione di salse ed essiccati, o nel settore farmaceutico.

Infine, l’acqua ottenuta (OI) alla fine del processo presenta una composizione salina molto interessante: basso contenuto salino con un rapporto sodio/potassio in media pari allo 0.37 (le acque minerali solitamente hanno un rapporto >1). Dunque, un’acqua con proprietà “curative” nei casi di ipertensione o altre patologie cliniche o grazie al pH acido utilizzabile come base per la preparazione di cosmetici.