Production of a casinomacropeptide concentrate from sweet whey and usage in a milk-like drink

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2020
Yazarlar
Karimidastjerd, Atefeh
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Özet
Caseinomacropeptide (CMP) is a valuable polypeptide with structural and health-improving functional properties. CMP is part of κ-casein that is transferred into sweet whey after rennet coagulation of milk in cheese manufacturing. CMP is composed of fractions including glycosylated gCMP and its aglycon aCMP at almost equal proportions in whey. gCMP has a sugar moiety mostly sialic acid bound which was found to be responsible for some of its activities. CMP does not contain any aromatic amino acids such as phelnylalanine and tyrosine which makes it an alternative protein source for phenylketonuria patients. CMP has structural functionality including foaming, gelling and emulsifying. Bioactive properties such as antimicrobial, antioxidant, immune-modulating, satiety providing and prebiotic activities were also reported for CMP. These properties make CMP a special protein source to be utilized as a food ingredient. CMP is present about 1.2-1.5 gL-1 in sweet whey that makes up 15-20% of whey proteins. There are various methods to separate CMP from other sweet whey components for its isolation which are combinations of heat treatment, acid treatment, ultrafiltration (UF) and ion-exchange chromatography. In this study, CMP was isolated from sweet whey by a two-stage process where it was separated from other whey proteins by a heat-acid treatment firstly and then further purified by UF. Effects of process parameters in both stages on recovery and purity of CMP were determined to select best conditions. Final CMP concentrate was utilized as an ingredient in development of a rice drink that can be consumed for phenylketonuria patients. In the first part of this study, separation of CMP from other whey proteins by heat and acid treatments was investigated. Especially, the impact of order of the heat and acid treatments on isolation of CMP from sweet whey and its composition was explored. Acidification of sweet whey to pH values in the range of 3.0-5.0 and heat treatment at 90oC for 1 h in different order were applied to precipitate and separate whey proteins. The aim was to obtain the highest amount of CMP the lowest amounts of other whey proteins in the supernatant. Dry matter, crude protein, non-nitrogen protein, ash, lactose, bound sialic acid, phenylalanine and tyrosine contents of the supernatants from treated whey samples were determined. CMP, α-lactalbumin and β-lactoglobulin in the supernatants were quantified by RP-HPLC. Order of heat and acid treatments and pH had no effect on amounts of lactose and ash in treated samples. The lowest crude protein and dry matter contents in treated samples were found at pH values 4.0, 4.5 and 5.0 regardless of the order of heat and acid treatments. Heat-acid treatment at pH 4.5 and 5.0 were found to yield the highest CMP content and the lowest concentration of α-lactalbumin and β-lactoglobulin, respectively. Concentrations of Phe and Tyr were the lowest at pH values of 4.0, 4.5 and 5.0 in both treatments. Bound sialic acid was recovered at the highest extent in the treated sample that was heated and then acidified to pH 5.0. In the second part of the study, the pre-treated whey which was heated and then acidified to pH 5.0 that yielded the highest CMP and bound sialic acid contents was further purified by ultrafiltration and then diafiltration. The aim was to reduce water, lactose and ash contents in the retentate without loss of CMP. UF was performed by using a tubular unit with a feed volume of 9 L. Two PES membranes with MWCO of 9 and 25 kDa were used at pressure of 5 and 3 bar, respectively. Preliminary experiments were performed to obtain sufficient flow rate and hence flux for permeate from the UF unit which was crucial to achieve a high volumetric concentration of retentate. pH of pre-treated whey was changed to values in the range of 3-9 with acid and alkali addition for this purpose. As the pH of pre-treated whey was increased flow rate of permeate was increased. The highest relative mean flux was obtained at pH 9 with the membrane with MWCO of 9 kDa and at a pH of 7.0 with the 25 kDa membrane. A volumetric concentration factor of 5 was possible with both membranes. The flow rate of permeate obtained from 25 kDa membrane was higher than that from 9 kDa membrane, the process took shorter time accordingly. While one diafiltration cycle was possible without significant loss of CMP with 25 kDa membrane, four diafiltration cycles could be performed with 9 kDa membrane. Higher recovery and purity of CMP were obtained with 9 kDa membrane compared to that with 25 kDa membrane. Retentates from both UF/DF runs with two membranes were freeze-dried to obtain CMP concentrates. A CMP concentrate with 9.7% CMP, 2.8% α-lactalbumin, 1.5% β-lactoglobulin, 20.2% protein, 61.8% lactose, 18.1% ash, 0.85% bound sialic acid, 0.29% Phe and 0.34% Tyr in dry matter was obtained from pre-treated whey by using 9 kDa membrane. Although CMP content of the concentrate obtained by using 25 kDa membrane was lower (5.8%), it could be preferred because of lower ash content (7.5%) and shorter process time. In the last part of the study, a rice drink fortified with the CMP concentrate was developed. A base formula containing rice flour (3-8%, w/w) and xanthan gum (0.01-0.05%, w/w) as the structuring components that were heated at different temperatures (80-90oC) for 15 min was developed according to three-factor at three levels CCD by the response surface methodology. All samples were pre-hydrated in water bath 50oC for 20 min, heated, homogenized and cooled. Particle size, zeta potantial, color values, rheological properties (apparent viscosity, flow behaviour index, consistency and thixotropy), sedimentation and phase seperation of the drinks were measured as responses. None of the factors were found to have significant effect on sedimentation. While rice flour and temperature affected all responses significantly, there was no effect of level of xanthan gum on apparent viscosity and particle size. Selected response variables phase separation, particle size, apparent viscosity and zeta potential were targeted to be minimized in optimization of the base-formula and heating temperature. Optimum base formula of rice drink was estimated to contain 3% rice flour and 0.05% xanthan gum that was heated at 80C. The desirability of the values of estimated response from the optimized model with respect to the targeted values of responses was found 84%. Rice drink prepared at the optimum conditions was sweetened with 2.5% (w/w) sucrose to improve its acceptability. Descriptive sensory analysis was performed to compare appearance, flavor and texture of sweetened and unsweetened rice drinks with those of low fat milk. The color, mouthfeel, consistency, particle size, graininess and overall acceptability of rice drinks were found to be significantly different than those of low fat milk. Although the highest scores were given to low fat milk, sweetened rice drink was found to be closer to low fat milk compared to unsweetened rice drink. Isolated CMP concentrate (7%, w/w) was added to sweetened rice drink and then physical properties of the drink was measured. The amount of CMP to be added was calculated by considering the average daily amount of Phe allowed for the diet of children at age of 1-10 years. CMP resulted in reduction of zeta potential, increase in particle size and slight sedimentation in rice drink. It also enhanced apparent viscosity and color values of the drink.
Kazeinomakropeptid (KMP), yapısal ve sağlığa faydalı fonksiyonel özellikleri olan değerli bir polipeptiddir. KMP κ-kazeinin bir parçası olup peynir yapımında rennet ile koagülasyon sonucunda tatlı peyniraltı suyuna geçer. Glikolize gKMP ve bunun aglikonu aKMP olmak üzere peyniraltı suyunda aynı oranlarda bulunan iki fraksiyondan oluşur. gKMP yapısında bazı fonksiyonel özelliklerinden sorumlu olan bağlı bir şeker grubu sıklıkla siyalik asit bulundurur. KMP peptid zincirinde fenilalanin ve tirozin gibi aromatik amino asitler bulunmaması nedeniyle fenilketonüri hastaları için alternatif bir protein kaynağı sayılmaktadır. KMP jelleşme, köpük ve emülsiyon oluşturma gibi yapısal fonksiyonlara sahiptir. KMP'in antimikrobiyal, antioksidan, bağışıklık-düzenleyici, tokluk sağlayıcı ve prebiyotik aktivite gibi biyoaktif özellikleri bildirilmiştir. Bu özellikleri KMP'nin özel bir protein kaynağı ve gıda bileşeni olarak tercih edilmesine sebep olmaktadır. KMP tatlı peyniraltı suyunda 1,2-1,5 gL-1 oranında bulunur ve peyniraltı suyu proteinlerinin % 15-20'sini oluşturur. KMP'nin tatlı PAS'nun diğer bileşenlerinden ayrılarak izolasyonu için farklı yöntemler bulunmaktadır. Bu yöntemler ısıl işlem, asidifikasyon, ultrafiltrasyon ve iyon-değişimi kromatografisidir. Bu çalışmada, KMP öncelikle ısı-asit uygulaması ile diğer peyniraltı suyu proteinlerinin ayrılması ve daha sonra ultrafiltrasyon ile ileri saflaştırma olmak üzere iki aşamalı bir proses ile tatlı peyniraltı suyundan izole edilmiştir. Proses parametrelerinin KMP'nin geri kazanımı ve saflığına olan etkileri en iyi koşulların seçilmesi amacıyla belirlenmiştir. Elde edilen KMP konsantresi fenilketonüri hastaları tarafından tüketilebilecek bir pirinç içeceğinin geliştirilmesinde bir bileşen olarak kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde, ısı ve asit uygulamaları ile KMP'nin diğer peyniraltı suyu proteinlerinden ayrılması araştırılmıştır. Bu amaçla, PAS yağsız süttozundan %10 kuru madde içerecek şekilde rennet enzimi kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen PAS'a 3,0-5,0 aralığındaki pH değerlerine asidifikasyon ve 90C'de 1 saat ısıl işlem uygulaması d-farklı sırada uygulanarak peyniraltı suyu proteinleri çöktürülmüştür. Burada hedef, KMP'yi en yüksek ve diğer peyniraltı suyu proteinlerini en düşük oranda içeren bir üst faz elde etmektir. İşle görmüş peyniraltı suyundan elde edilen üst fazlarda kül, kuru madde, toplam protein, protein olmayan azot, laktoz, bağlı siyalik asiti fenilalanin ve tirozin içerikleri ölçülmüştür. Üst fazlardaki KMP, α-laktalbumin and β-laktoglobulin miktarları RP-HPLC yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Isı ve asit uygulamalarının farklı sırada uygulanması ve pH'nın örneklerdeki laktoz ve kül miktarlarına etkisi saptanmamıştır. En düşük kuru madde ve protein içeriği pH 4,0, 4,5 ve 5,0'te gözlenmiştir. pH 4,5 ve 5,0'te asit-ısı ve ısı-asit uygulamalarının en yüksek KMP miktarı ve en düşük α-laktalbumin ve β-laktoglobulin miktarı sağladığı bulunmuştur. En düşük fenilalanin ve tirozin içeriği asit-ısı ve ısı-asit uygulamalarında pH 4,5 ve 5,0'te tespit edilmiştir. İzole edilmiş KMP'deki bağlı siyalik asidin pH 5,0'de ısı-asit uygulaması ile en yüksek oranda geri kazanıldığı gözlenmiştir. Tezin ikinci kısmında, en yüksek KMP ve bağlı siyalik asit içeriğine sahip ısı ve pH 5'e kadar asit uygulanması ön-işlemlerinden geçmiş peyniraltı suyu ultrafiltrasyon ve daha sonra diafiltrasyon yoluyla saflaştırılmıştır. Burada amaç, retentattaki KMP'i kaybetmeden su, laktoz ve mineral içeriğini azaltmaktır. UF 9 L besleme hacminde borulu bir ünite kullanılarak yapılmıştır. Farklı molar kütle limitine (9 ve 25 kDa) sahip olan iki PES membran sırasıyla 5 ve 3 bar basınçta kullanılmıştır. UF işleminde yüksek hacimsel konsantrasyon faktörüne ulaşabilmek için yeterli düzeyde permeat akış hızı ve dolayısıyla akı elde etmek gerekmektedir. Bu amaçla, ön denemelerde yeterli düzeyde akış hızı sağlanması için ön işlem görmüş peyniraltı suyunun pH değeri 3-9 arasındaki değerlere asit veya baz eklenerek ayarlanmıştır. Ön işlem görmüş peyniraltı suyunun pH değeri arttıkça permeat akış hızı artmıştır. Molar kütle limiti 9 kDa olan membran kullanıldığında en yüksek akı pH 9 değerinde elde edilmiştir. Molar kütle limiti 25 kDa olan membran kullanıldığında ise pH 7'de yeterli düzeyde akı elde edilebilmiştir. Her iki membranla da 5 hacimsel konsantrasyon faktörüne ulaşılabilmiştir. Akı 25 kDa-membran ile 9 kDa membrana göre daha fazla olduğundan proses te daha kısa sürmüştür. Molar kütle limiti 25 kDa olan membranla bir diafiltrasyon döngüsü yapılabilirken diğer membranla dört diafiltrasyon döngüsü yapılabilmiştir. KMP'in geri kazanımı ve saflığının 9 kDa membran kullanıldığında daha yüksek olduğu bulunmuştur. Elde edilen retentatlar dondurarak kurutularak CMP konsantratları elde edilmiştir. Ön-işlem görmüş peyniraltı suyu 9 kDa membran kullanıldığında kuru maddede %9,7 KMP, %2,8 α-laktalbumin, % 1,5 β-laktoglobulin, %20,2 protein, %61,8 laktoz, %18,1 kül, % 0,85 bağlı siyalik asit, % 0,29 fenilalanin and % 0,34 tirozin içeren bir KMP konsantresi elde edilmiştir. Molar kütle limiti 25 kDa olan membran kullanıldığında elde edilen KMP konsantresinin KMP içeriği daha düşük (%5,8) olmasına rağmen daha düşük kül içeriğine (%7,5) sahip olması ve daha kısa proses süresinden dolayı tercih edilebilir. Tezin üçüncü bölümünde, KMP ile fortifiye edilmiş pirinç içeceği geliştirilmiştir. Yapı oluşturan bileşenler olarak pirinç unu (%3-8, w/w) ve ksantan zamkı (% 0,01-0,05, w/w) içeren ve farklı sıcaklıklarda (80-90oC) 15 dk ısıl işleme tabi tutulan bir içecek üretiminin geliştirilmesi için yanıt yüzey metodolojisine göre üç seviyede üç faktör içeren Merkezi Kompozit Deney Tasarımı kullanılmıştır. Formüle edilen pirinç içeceğinin partikül büyüklüğü, zeta potansiyeli, çökme oranı, renk (L, a ve b) değerleri, reolojik özellikleri ve faz ayrımı yanıtlar olarak ölçülmüştür. Ksantan zamkının partikül büyüklüğü ve görünür viskozite üzerinde etkili olmadığı saptanmıştır. Her faktör için istatistiksel olarak bağımsız etkenlerin bu faktörler üzerindeki etkisi incelmiştir. Sıcaklık ve pirinç unu oranı zeta potansiyel, partikül büyüklüğü, faz ayrımı, görünür viskozite, tiksotropi ve renk üzerinde etkili faktörler olarak bulunmuştur. Çökme oranı üzerinde incelen faktörlerin önemli düzeyde bir etkisi bulunmamıştır. Formülasyon ve ısıl işlem sıcaklığının optimizasyonunda, minimum partikül büyüklüğü, zeta potansiyeli, faz ayrımı ve görünür viskozite hedef olarak seçilmiştir. Elde edilen yanıt-faktörler ilişkisini gösteren modellere göre, optimum formülasyonun %3 pirinç unu ve %0,05 ksantan zamkı içerdiği ve ısıl işlem sıcaklığının 80C olduğu tahmin edilmiştir. Optimizasyondan tahmin edilen faktörler ile elde edilebilecek yanıtların hedef değerlerine göre kabul edilebilirliği %84 olarak belirlenmiştir. Optimizasyonun validasyonu için optimum üretim koşullarında içecek hazırlanmış ve yanıtlar ölçülmüştür. Görünür viskozite haricinde tüm yanıtlar tahminlenen değerlere benzer çıkmıştır. Optimum koşullarda hazırlanmış pirinç içeceğine kabul edilebilirliğinin artırılması amacıyla % 2,5(w/w) oranında şeker eklenmiştir. Tanımlayıcı duyusal analiz yapılarak şekerli ve şekersiz pirinç içeceğinin renk, tat ve yapı özellikleri az yağlı sütün özellikleri ile karşılaştırılmıştır. Partikül boyutu, kumsuluk, kıvam, renk, ağız hissi ve genel kabul edilebilirlik değerlendirmelerinde her iki pirinç sütü de az yağlı süte oranla panelistlerden daha yüksek puan almışlardır. İçeceklerin rengi az yağlı süte göre daha kremsi olarak belirtirmiştir. Tatlılık açısından, şekersiz pirinç içeceği ve az yağlı süt aynı puan almışken şekerli içecek daha yüksek puan almıştır. Yağlılık ve acımsı tatta örnekler arasında istatistiksel olarak farklılık bulunmamıştır. Genel kabul edilebilirlik açısından, şekerli pirinç sütünün puanının şekersizden daha yüksek ancak az yağlı sütten daha düşük olduğu görülmüştür. Şeker eklenmiş pirinç sütü formülasyonuna %7 oranında KMP konsantresi eklenere pirinç içeceği üretilmiş ve fiziksel özellikleri ölçülmüştür. Eklenen KMP miktarının belirlenmesinde içeceğin toplam fenilalanin içeriğinin, fenilketonüri hastası 10 yaştan daha küçük bir çocuğun diyetinde kullanılabilecek maksimum düzeyden az olması gözönünde bulundurulmuştur. KMP içeceğin yüzey yükünde azalma, partikül boyutunda artma ve düşük düzeyde çökmeye sebep olmuştur. Aynı zamanda içeceğin görünür viskozitesinde ve renk değerlerinde artışa sebep olmuştur.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Anahtar kelimeler
Süt, Milk, Süt ürünleri mikrobiyolojisi, Dairy microbiology, Süt ürünleri, Dairy products
Alıntı