Wysokoproteinowe mleczne napoje niefermentowane

Mleko krowie jest pokarmem, którego spożywanie zapewnia korzyści żywieniowe i zdrowotne. Na szczególną uwagę zasługują białka mleka, które wspierają wzrost, wzmacniają układ immunologiczny i pokarmowy, obniżają ciśnienie krwi oraz wspomagają podczas aktywności fizycznej [9, 12].

Produkty mleczarskie ze zwiększoną zawartością protein cieszą się coraz to większym zainteresowaniem wśród konsumentów. Potwierdza to analiza przeprowadzona przez Future Market Insights, wg której globalny rynek białek mleka w 2024 roku ma osiągnąć wartość 11,83 miliarda dolarów, a dalszy przewidywany jego średnioroczny wzrost na kolejne lata wyraża się wartością CARG na poziomie 3,3%. Szacuje się, że w 2034 r. światowy rynek białek mleka będzie wartości 16,34 miliarda dolarów [6]. Producenci żywności, reagując na potrzeby runku, rozwijają gamę swoich produktów o te opatrzone dopiskiem „wysokobiałkowe”, stanowiącym oświadczenie żywieniowe. Zgodnie z rozporządzeniem (WE) Nr 1924/2006 PE i RADY z dnia 20 grudnia 2006 r., za środek spożywczy o wysokiej zawartość białka może być uznany produkt tylko wówczas, gdy przynajmniej 20% jego wartości energetycznej pochodzi z protein. Niefermentowane napoje z mleka o fortyfikowanym poziomie białka skierowane są głównie do osób wykonujących wymagającą aktywność fizyczną. Taka jednostka wykazuje zapotrzebowanie na białko na poziomie od 1,5 do 2 g/kg.m.c, co przekłada się na średnio 20 g protein w jednym posiłku dla człowieka ważącego 70 kg, ponieważ jest to najmniejsza ilość stymulująca syntezę białka miofibrylarnego po treningu, przy minimalnym wzroście utleniania aminokwasów [8, 16]. Napoje te mogą również być wpisane w dietę seniorów borykających się z sarkopenią, problemem postępującej utraty masy i siły mięśniowej, co znacząco wpływa na ograniczenie ich zdolność do wykonywania codziennych czynności i obniżenie jakości życia. Zastosowanie u tej grupy wiekowej suplementacji białkiem wpływa korzystnie na zachowanie i funkcjonalność masy mięśniowej, usprawnia rehabilitację po hospitalizacji oraz wspomaga zapobieganie i leczenie tej jednostki chorobowej [17]. Dodatkowym atutem jest pitna forma produktu wysokoproteinowego, która jest odpowiedzią na stosunkowo częsty brak uzębienia, powodujący problem z gryzieniem, a pośrednio z łaknieniem. Inną grupą docelową konsumentów wysokoproteinowych napojów mlecznych mogą być osoby z nadwagą. Badania Haidari i in. [7] wykazały, że spożywanie wysokobiałkowych produktów mleczarskich może być pomocne w dietoterapi otyłości, szczególnie u kobiet. Różnica w kinetyce trawienia białek serwatkowych i kazeinowych może ułatwić stymulację hormonów żołądkowych, które opóźniają opróżnianie żołądka, co zwiększa uczucie sytości i zmniejsza rozpad cząstek pokarmowych oraz ich uwalnianie w jelicie cienkim.

Poziom fortyfikacji protein w surowcu nie jest obojętny dla technologii mlecznych napojów niefermentowanych. Wysoki poziom białka w mleku wiąże się ze zmianą jego cech fizykochemicznych, które są istotne podczas utrwalania napojów proteinowych. Ze względu na stosunkowo wąską grupę docelowych odbiorców, wymagają one dłuższego terminu ważności. Przekłada się to na konieczność zastosowania wysokotemperaturowych systemów utrwalania żywności, np. metody UHT [15].

Wartość biologiczna białek mleka

Rosnąca popularność białek mleka przypisana może być ich właściwościom odżywczym, jak i również funkcjonalnym. Zawierają one bowiem wszystkie niezbędne aminokwasy, w proporcjach odpowiadających zapotrzebowaniu człowieka na te związki. Ponadto zawartość aminokwasów rozgałęzionych (izoleucyny, leucyny i waliny) w tych proteinach jest wyższa, niż w wielu innych źródłach pokarmowych. Te aminokwasy, a zwłaszcza leucyna, pomagają minimalizować utratę mięśni w warunkach zwiększonego rozkładu białka i mogą stymulować syntezę białek mięśniowych. Co więcej, białko serwatkowe charakteryzuje się wysoką zawartością aminokwasów siarkowych (cysteiny i metioniny), które są prekursorami glutationu, mającego właściwości przeciwutleniające, przeciwnowotworowe i immunostymulujące [4]. Na istotne znaczenie białek mleka w żywieniu człowieka wpływ mają także uwalniane z nich peptydy, które wykazują szereg właściwości bioaktywnych. Jedną z nich jest działanie przeciwnadciśnieniowe – działają na związki odpowiedzialne za zawężanie i rozszerzanie naczyń krwionośnych. Kolejną ważną właściwością tych peptydów jest aktywacja układu immunologicznego, poprzez stymulację makrofagów, aktywację limfocytów B oraz uszkadzanie błony komórkowej bakterii Gram-ujemnych. Mogą również działać cytotoksycznie na komórki nowotworowe. Z mleka można również wyizolować peptydy o aktywności opioidowej. Oddziałują one z receptorami odpowiedzialnymi za emocje, wywołując efekt uspokojenia i niwelując lęk [11, 12].

Aspekt technologiczny produkcji wysokobiałkowych niefermentowanych napojów mlecznych 

Do utrwalania mlecznych napojów o fortyfikowanym poziomie białka można zastosować pasteryzację, która zapewni kilku – kilkunastodniowy ich okres przydatności do spożycia. Jednak ze względu, że napoje te należą do grupy produktów funkcjonalnych, skierowanych do konkretnej grupy odbiorców, wymagany jest wydłużony ich okres trwałości. Z kolei zastosowanie sterylizacji konwencjonalnej (LTS – long time sterilization) spowodowałoby powstanie nieakceptowalnych zmian chemicznych. Dlatego też w technologii tych napojów powszechnie stosuje się system UHT, w połączeniu z aseptycznym pakowaniem, co zapewnia im odpowiednią trwałość podczas przechowywania, nawet w temperaturze pokojowej [9, 15].

Oddziaływanie podwyższonej temperatury na mleko powoduje denaturację białek serwatkowych. Najbardziej termostabilna z nich jest laktoalbumina-α, a najszybciej denaturują immunoglobuliny i albuminy serum krwi. Jednocześnie podczas obróbki cieplnej mleka następują zmiany konformacyjne w laktoglobulinie-β, które prowadzą do odsłonięcia i uwolnienia reaktywnych grup tiolowych, poprzez które może ona reagować z innymi frakcjami białek mleka, głównie kazeiną [2, 5]. Wśród wszystkich białek mleka, kazeina jest najbardziej odporna na działanie ciepła. Dopiero po długotrwałym i wysokim ogrzewaniu (np. 120°C/1,5 godz.) następują w niej zmiany, takie jak odszczepienie glikomakropeptydu z frakcji kazeiny-k i defosforylacja kazeiny-αs, co prowadzi do agregacji micel i termicznej koagulacji. Najkorzystniejsze rezultaty stabilności cieplnej mleka wykazano, gdy stosunek molowy kazeiny-κ do laktoglobuliny-β wynosi 1:1, co wskazuje na ochronne działanie kompleksu pomiędzy tymi frakcjami białek, tworzącego się na powierzchni micel kazeinowych. Wpływ na stabilność cieplną ma również zachowanie równowagi kwasowo-zasadowej w mleku. Sole kształtują ładunek micel kazeinowych, którego zmiana wpływa na stabilność cieplną mleka [3]. Oprócz przemian strukturalnych protein, obróbka cieplna mleka może również wywoływać zmiany w wartości biologicznej białek. Zazwyczaj pasteryzacja oraz system UHT nie wpływają istotnie na nią (np. straty dostępnej lizyny: pasteryzacja – 0,6-2%; pośredni system UHT – 0,5-4,3%), chyba że dojdzie do osadzenia się skoagulowanych białek na ścianach urządzeń grzejnych, wtedy ta wartość zostaje zmniejszona. W przypadku zastosowania do utrwalenia mleka sterylizacji konwencjonalnej następuje unieczynnienie większej części lizyny (do 13%), co obniża wartość biologiczną protein [2, 5].

Przeciętny poziom białka w mleku wynosi 3,2%. Chcąc uzyskać zwiększoną koncentrację tego związku można wykorzystać proces wyparny, jak i również filtrację membranową, np. ultrafiltrację czy mikrofiltrację separacyjną. Użycie filtracji membranowej, zamiast zagęszczania w wyparce, zapewnia większą precyzję podczas tego procesu oraz powoduje zachowanie wartości odżywczej składników mleka. Istnieje również możliwość zwiększenia zawartości białka w napoju mlecznym poprzez dodatek do mleka preparatów białkowych w formie sproszkowanej. Do najczęściej używanych należą koncentraty (MPC) bądź izolaty białek mleka (MPI) oraz mleko odtłuszczone w proszku (SMP). Mniej powszechne natomiast jest stosowanie koncentratów białek serwatkowych (WPC). Wybór sposobu fortyfikacji protein w mleku uzależniony będzie od sposobu utrwalenia napoju oraz pożądanych cech sensorycznych [15].

Koncentraty i izolaty białek mleka wykazują szeroki zakres zastosowań ze względu na ich skoncentrowane źródło białka o wysokiej strawności, doskonałą funkcjonalność i czysty, mleczny smak. Analizując rynek nowych produktów obserwuje się rosnące wykorzystanie tych preparatów przez branżę, najczęściej w kategorii jogurtów i serów czy też w żywności o wymaganych, specyficznych korzyściach żywieniowych, jak poprawa wydolności sportowej [1]. MPC oraz MPI charakteryzują się również proporcją kazeiny do białek serwatkowych, tj. ok. 80:20, zbliżoną do tej w mleku surowym [15]. Fakt ten oraz mniejsza zawartość minerałów, takich jak wapń, magnez czy potas w tych proszkach, w porównaniu do SMP, powoduje, że mleko fortyfikowane dodatkiem MPC lub MPI zachowuje wysoką stabilność cieplną podczas procesu UHT. Wiąże się to z ich wysoką przydatnością podczas produkcji wysokobiałkowych napojów niefermentowanych [14].

Mleko odtłuszczone w proszku, oprócz niezmodyfikowanej zawartości minerałów, zapewnia mniej białka na jednostkę suchej masy, niż inne preparaty mleczarskie. Wysoki stopień zagęszczenia mleka, uzyskany po dodatku SMP, który potrzebny jest do otrzymania odpowiedniej koncentracji protein, przejawiać się będzie bardzo dużym wzrostem kwasowości, która jest podstawowym determinantem obniżenia stabilności cieplnej [3, 14]. Według badań Singh’a i in. [15] czynniki te powodować mogą zakłócenia w pracy instalacji UHT, poprzez tworzenie osadów.

Według Singha’a i in. [15] koncentraty białek serwatkowych nie są odpowiednimi preparatami do stosowania w napojach poddawanych wysokiej obróbce termicznej, z uwagi na ich termolabilność. Jednakże równoczesna aplikacja do mleka preparatu kazeiny oraz WPC (w proporcji od 80:20 do 50:50) umożliwia skuteczne kontrolowanie zakresu i tempa agregacji termicznej białek serwatkowych. Badania przeprowadzone przez Liyanaarachchi i in. [10] wykazały, że efekt ten może być wynikiem zdolności preparatu kazeiny do zapobiegania nieodwracalnej denaturacji białek serwatkowych, a także kontrolowania zakresu i być może kierunku, ich agregacji, co ostatecznie prowadzi do zmniejszenia rozmiaru cząstek. W przeprowadzonych badaniach stwierdzono, że temperatura obróbki cieplnej i pH działały jako dwa współzależne czynniki środowiskowe, które albo nasilały, albo łagodziły zachowanie kazein, a tym samym wpływały na denaturację i agregację białek serwatkowych. Przy zwiększonym udziale kazein, powstawała większa liczba cząstek białek serwatkowych o nanometrowych rozmiarach. Rozmiar tych cząstek i prawdopodobnie specyficzne właściwości powierzchniowe mogły przyczyniać się do ich stabilności koloidalnej.

Podsumowanie

Mleko krowie odgrywa istotną rolę w diecie, oferując liczne korzyści zdrowotne i żywieniowe. Fortyfikacja mleka białkami wpływa na jego właściwości fizykochemiczne i wymaga stosowania zaawansowanych metod utrwalenia, takich jak system UHT. Białka mleka, zwłaszcza w formie koncentratów i izolatów, są cenione za wysoką wartość odżywczą, strawność oraz funkcjonalność, co czyni je popularnymi składnikami w wielu produktach żywnościowych. Zapewniają również lepszą stabilność w wysokotemperaturowych procesach utrwalania, w porównaniu do aplikacji odtłuszczonego mleka w proszku czy koncentratów białek serwatkowych. Produkcja napojów wysokobiałkowych wymaga precyzyjnej kontroli procesu, aby zapobiec negatywnym zmianom chemicznym i zapewnić odpowiednią stabilność termiczną.

inż. Kinga Lenkiewicz*

dr inż. Maria Czerniewicz**

*Naukowe Koło Technologów Mleczarstwa, ** Katedra Mleczarstwa i Zarządzania Jakością, Wydział Nauki o Żywności, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Kontakt e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Literatura

1. 1. Agarwal S., Beausire R. L. W., Patel S., Patel H. 2015. Innovative Uses of Milk Protein Concentrates in Product Development. Journal of Food Science, 80(S1): A23–A29. DOI:10.1111/1750-3841.12807
2. 2. Čurlej J., Zajác P., Čapla J., Golian J., Benešová L., Partika A., Fehér A., Jakabová S., 2022. The Effect of Heat Treatment on Cow’s Milk Protein Profile. Foods, 11(7), DOI: 3390/foods11071023
3. 3. Czerniewicz M., Kiełczewska K., Brandt W. 2021. Stabilność cieplna mleka. Przegląd mleczarski, 12: 24-30
4. 4. Davoodi S. H., Shahbazi R., Esmaeili S., Sohrabvandi S., Mortazavian A., Jazayeri S., Taslimi A. 2016. Health-Related Aspects of Milk Proteins. Iran Journal of Pharmaceutical Research, 15(3):573-591
5. 5. Dzwolak W., Ziajka S. 1997. Mleko i śmietanka spożywcza (w:) Mleczarstwo zagadnienia wybrane. T. 2. Red. Ziajka S., Wyd. ART, Olsztyn
6. 6. Future Market Insights. 2024. Global Milk Protein Market Snapshot from 2024 to 2034 https://www.futuremarketinsights.com/reports/milk-protein-market (dostęp:27.05.2024)
7. 7. Haidari F., Elahikhah M., Shariful Islam S. M., Mohammadshahi M., Shahbazian H., Aghamohammadi V. 2022. Effects of milk protein concentrate supplementation on metabolic parameters, adipocytokines and body composition in obese women under weight-loss diet: study protocol for a randomised controlled trial. British Medical Journal Open, 12(10), DOI: 10.1136/bmjopen-2022-064727.
8. 8. Jäger R., Kerksick M. C, Campbell I. B., Cribb J. P., Wells S. D., Skwiat T. M., Purpura M., Ziegenfuss T. N., Ferrando A. A., Arent S. M., Smith-Ryan A. E., Stout J. R., Arciero P. J., Ormsbee M. J., Taylor L. W., Wilborn C. D., Kalman D. S., Kreider R. B., Willoughby D. S., Hoffman J. R., Krzykowski J. L., Antonio J. 2017. International Society of Sports Nutrition position stand: protein and exercise. Journal of the International Society of Sports Nutrition, 14, DOI: 1186/s12970-017-0177-8
9. 9. Kiełczewska K., Dąbrowska A., Bielecka M. M., Dec B., Baranowska M., Ziajka J., Zhennai Y., Żulewska J. 2022. Protein Preparations as Ingredients for the Enrichment of Non-Fermented Milks. Foods, 11(13), DOI: 3390/foods11131817
10. 10. Liyanaarachchi W. S., Ramchandran L., Vasiljevic T. 2015. Controlling heat induced aggregation of whey proteins by casein inclusion in concentrated protein dispersions. International Dairy Journal, 44: 21-30, DOI: 10.1016/j.idairyj.2014.12.010.
11. 11. Nagpal R., Behare P., Rana R., Kumar A., Kumar M., Arora S., Morotta F., Jain S., Yadav H. 2011. Bioactive peptides derived from milk proteins and their health beneficial potentials: an update. Food Function, 2: 18-27, DOI: 10.1039/c0fo00016g
12. 12. Pluta A. S., Garbowska M., Stasiak-Różańska L., Berthold-Pluta A. 2022. Bioaktywne peptydy z białek mleka. Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego, 1: 207-216
13. 13. Singh J. 2020. Improving Ultra High Temperature Processability of High Protein Beverages. PhD Thesis, School of Agriculture and Food Sciences, The University of Queensland, DOI:14264/uql.2020.561
14. 14. Singh J., Prakash S., Bhandari B., Bansal N. 2019. Comparison of ultra high temperature (UHT) stability of high protein milk dispersions prepared from milk protein concentrate (MPC) and conventional low heat skimmed milk powder (SMP). Journal of Food Engineering, 246: 86-94, DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2018.11.003
15. 15. Singh R., Rathod G., Meletharayil G. H., Kapoor R., Sankarlal V. M., Amamcharla J. K. 2022. Invited review: Shelf-stable dairy protein beverages—Scientific and technological aspects. Journal of Dairy Science, 105(12): 9327-9346, DOI: 3168/jds.2022-22208
16. 16. Tang J. E., Phillips S. M. 2009. Maximizing muscle protein anabolism: the role of protein quality. Current Opinion in Clinical Nutrition & Metabolic Care, 12(1): 66-71, DOI: 10.1097/MCO.0b013e32831cef75
17. 17. Zanini B., Simonetto A., Zubani M., Castellano M., Gilioli G. 2020. The Effects of Cow-Milk Protein Supplementation in Elderly Population: Systematic Review and Narrative Synthesis. Nutrients, 12(9): 2548, DOI:10.3390/nu12092548