Bioaktywne składniki mleka – właściwości i możliwości otrzymywania za pomocą technik membranowych

Mleko i produkty mleczne stanowią bardzo ważny składnik codziennej diety człowieka, będący źródłem bioaktywnych związków naturalnie występujących w produktach pocho­dzenia zwierzęcego, które korzystnie wpływają na organizm człowieka. Skład mleka może być zróżnicowany w zależno­ści od rasy, wieku i warunków żywienia bydła, a także od panujących warunków klimatycznych. Wysokowartościowe bioaktywne składniki występują we wszystkich podstawo­wych frakcjach mleka – tłuszczowej (tłuszcze) oraz wod­no-białkowej (białka, sole mineralne i witaminy, laktoza). Prozdrowotne właściwości mleka decydują o tym, że jego składniki wykorzystywane są w lecznictwie i profilaktyce poszczególnych chorób, takich jak choroby układu krążenia czy choroby nowotworowe [12].

Wzrost zainteresowania składnikami bioaktywnymi i rozwój przemysłu spożywczego w zakresie produkcji żywności funkcjonalnej spowodo­wały zmiany w procesach produkcyjnych oraz tech­nologicznych. W efekcie tych zmian pozyskiwanie substancji bioaktywnych umożliwiają m.in. procesy membranowe, które są stosowane do rozdziału sub­stancji biologicznie aktywnych.

Celem artykułu jest zaprezentowanie wybranych składników bioaktywnych występujących w mleku i ich doborczynnego wpływu na zdrowie oraz możli­wości wykorzystania technik membranowych do ich separacji.

MLEKO JAKO ŹRÓDŁO bioaktywnych składników

Bioaktywne substancje to składniki pochodze­nia naturalnego, np. białka lub takie, które nie są niezbędne dla organizmu, jednak korzystnie wpły­wają na zdrowie, zapewniając więcej niż efekt od­żywczy. Przynoszą potencjalne korzyści zdrowotne lub poprawiające samopoczucie. Do bioaktywnych substancji pozytywnie wpływających na organizm człowieka zalicza się: białka, wielonienasycone kwa­sy tłuszczowe, składniki mineralne, witaminy, błon­nik pokarmowy, oligosacharydy, cholinę, lecytynę, fitozwiązki o działaniu przeciwutleniającym, fitoste­role oraz mikroorganizmy o działaniu probiotycz­nym. Do niekorzystnie oddziałowujących związków bioaktywnych należą między innymi glukozydy cyja­nogenne i alkaloidy powodujące zatrucia oraz akry­loamid przyczyniający się do powstania nowotworów. Mleko i jego przetwory charakteryzują się wysoką zawartością sub­stancji bioaktywnych pochodzenia zwierzęcego o naukowo udowodnionych właściwościach prozdrowotnych [11].

STRESZCZENIE:

Związki bioaktywne są substancjami chemicznymi występującymi w powszechnie spożywanej żywności, nie są niezbędne do zaspokojenia podstawowych potrzeb energe­tycznych i odżywczych organi­zmu, ale pozytywnie wpływają na poprawę stanu zdrowia ludzi. Substancje te wykazują działanie przeciwutleniające, proutleniające oraz działają jako inhibitory enzymów. Mleko jest źródłem bioaktywnych związków, które pozytywnie oddziałują na organizm czło­wieka i naturalnie występują w produktach pochodzenia zwierzęcego. Wysokowarto­ściowe bioaktywne składniki znajdują się w podstawowych frakcjach mleka – tłuszczowej oraz wodno-białkowej. Rozwój przemysłu spożywczego w za­kresie produkcji żywności funk­cjonalnej spowodował zmiany w procesach produkcyjnych oraz technologicznych. W efekcie tych zmian pozyskiwanie substancji bioaktywnych umoż­liwiają procesy membranowe, które mogą być stosowane do rozdziału substancji biologicznie aktywnych. Do najczęściej wykorzystywanych zalicza się technikę mikrofiltracji (MF) – zarówno do separacji bakteryjnej, jak i rozdziału białek, w zależności od zastosowanej membrany do MF, a także ultrafiltracji (UF). Dzięki tym procesom uzyskuje się bioaktywne składniki takie jak laktoferyna czy kwas linolowy (CLA – ang. Conjugated Linoleic Acid).

SUMMARY:

Bioactive compounds are chemi­cal substances found in commonly consumed food, other than those essential to meet basic energy needs and the nutrients of body, but having health improving properties. These substances show antioxidant and prooxidant effects and act as enzyme inhib­itors. Milk is a source of bioactive compounds naturally occurring in animal products, which have a beneficial effect on the human body. High quality bioactive ingredients are found in all basic fractions of milk – fat and water-protein. Increased interest and develop­ment of the food industry in the production of functional food caused changes in production and technological processes. As a result of these changes, we can obtain bioactive substances through membrane processes, which can be used to separate biologically active substances. The most frequently used pro­cesses include the microfiltration technique (MF) for both bacterial and protein separation depend­ing on the membrane used for MF, as well as ultrafiltration (UF). These processes allow us to obtain bioactive components such as lactoferrin and linoleic acid (CLA). TITLE: Bioactive Components in Milk – Properties and Production Possibilities Using Membrane Techniques

BIAŁKA KAZEINOWE

Białka kazeinowe stanowią około 80% białka ogólnego mleka pochodzącego od zdrowych krów. W składzie kazeiny wyróżnia­my cztery podstawowe frakcje: αS-kazeina (αS1 i αS2), β-kazeina, oraz κ-kazeina i γ-kazeina. Kazeina wykazuje właściwości prze­ciwbakteryjne, opioidowe, przeciwnowotworowe, a także prze­ciwzakrzepowe, ponadto zapobiega powstawaniu nadciśnienia. Jest też nośnikiem wapnia i innych mikroelementów [9].

Kazeina wyróżnia się wysoką przydatnością technolo­giczną, a jej zawartość w mleku decyduje o czasie powsta­nia skrzepu oraz jego zwięzłości. W składzie oprócz węgla, wodoru, tlenu i siarki zawiera także fosfor, co pozwala zali­czyć ją do fosfoprotein. W aspekcie prozdrowotnym kaze­ina (oraz jej frakcje) jest coraz częściej wykorzystywana do wzbogacania żywności [7].

BIAŁKA SERWATKOWE

Białka serwatkowe stały się niezwykle popularne ze wzglę­du na ich bardzo dużą wartość odżywczą i niebagatelne zna­czenie w żywieniu człowieka. Procentowa zawartość różnych frakcji białek serwatkowych mleka krowiego wynosi kolejno: β-laktoglobulina 44-58%, α-laktoalbumina 13-22%, glikoma­kropeptyd 12-20%, imunnoglobuliny 8-15%, albumina serum 4-8%, laktoferyna 2-3%, peroksydaza 0,5% [1]. Wiele badań prowadzonych w ostatniej dekadzie wykazało istotną rolę bia­łek serwatkowych w diecie człowieka, ze względu na ich wielo­kierunkowe działanie [8]. Wpływają one pozytywnie na układ odpornościowy, trawienny, nerwowy oraz krążenia. Ograni­czają ryzyko wystąpienia wielu chorób cywilizacyjnych, takich jak otyłość, miażdżyca, cukrzyca, a nawet Alzheimer i HIV [3].

Nośnikiem witamin, potencjalnym przeciwutleniaczem oraz prekursorem bioaktywnych peptydów jest β-laktoglobu­lina. Frakcja α-laktoalbuminy wykazuje działanie przeciwno­wotworowe, jest nośnikiem wapnia oraz efektorem syntezy laktozy w gruczole mlecznym. Wykazuje aktywność prze­ciwzakrzepową, a także aktywność wspomagającą obniżanie poziomu cholesterolu we krwi [8]. Tak jak β-laktoglobulina i α-laktoalbumina, albumina serum jest prekursorem bioak­tywnych peptydów.

Białka serwatkowe są bardzo interesującą pod względem ekonomicznym i technologicznym frakcją w serwatce, która przez długi czas była uznawana za produkt uboczny. Dzisiaj jest bardzo cennym produktem uzyskiwanym równolegle przy produkcji sera czy kazeiny. Serwatkę jako produkt zawierający węglowodany, witaminy, minerały i białka o wysokiej zawarto­ści bioaktywnych peptydów wykorzystuje się na szeroką skalę, np. w preparatach specjalnego przeznaczenia żywieniowego dla niemowląt, koncentratach (WPC – ang. Whey Protein Concentrate) oraz izolatach białek serwatkowych (WPI – ang. Whey Protein Isolate) [1]. Wybrane kategorie bioaktywności w serwatce to m.in. [8]:

• działanie przeciwdrobnoustrojowe i przeciwzapalne,
• hamowanie bakterii z grupy coli i wzrostu patogenów,
• aktywność przeciwwirusowa – hamowanie rozwoju infek­cji wirusowej,
• działanie przeciwnowotworowe – kontrola poziomu glu­tationu w komórkach,
• aktywność antyoksydacyjna – hamują powstawanie rodników.

Glikomakropeptyd (GMP) to bioaktywny peptyd pocho­dzący z mleka, trzeci pod względem liczebności białek obec­nych w serwatce. Jest uwalniany z κ–kazeiny przez organizm człowieka poprzez trawienie enzymatyczne lub w przemyśle podczas procesu produkcji sera w wyniku zastosowania, np. enzymu o nazwie chymozyna [5]. GMP jako bioaktywny skład­nik zyskał wiele uwagi w ciągu ostatniej dekady. Charaktery­zuje się działaniem antybakteryjnym i przeciwzakrzepowym oraz reguluje poziom hormonów przewodu pokarmowego. Laktoferyna, która również występuje w serwatce, transpor­tuje żelazo oraz ma działanie: przeciwutleniające, przeciwbak­teryjne, przeciwgrzybicze, przeciwwirusowe, przeciwzapalne, przeciwnowotworowe i przeciwbólowe, jak również wpływa na regulację metabolizmu [3, 17].

TŁUSZCZ MLEKOWY I JEGO SKŁADNIKI

W obrębie frakcji tłuszczowej mleka najliczniejszą grupę bioaktywnych składników stanowią kwasy nienasycone z ro­dziny n-3 – kwas dokozaheksaenowy (DHA) czy kwas eiko­zapentaenowy (EPA), które zmniejszają ryzyko wystąpienia chorób sercowo-naczyniowych. Składniki tłuszczu mleko­wego, takie jak CLA, witamina A i D, koenzym Q₁₀ czy fos­folipidy, charakteryzują się udokumentowanym działaniem antyoksydacyjnym, zmniejszają prawdopodobieństwo wystą­pienia miażdżycy oraz mają właściwości antynowotworowe. Tłuszcz mlekowy uznawany jest także za ważny czynnik prozdrowotny i terapeutyczny [2, 15]. Z uwagi na potencjal­ne właściwości przeciwnowotworowe i przeciwmiażdżycowe rośnie zainteresowanie skoniugowanym kwasem linolowym (CLA) [3]. Wykazuje on szereg prozdrowotnych właściwości, m.in.: stymuluje odporność, obniża ryzyko chorób nowotwo­rowych, ma działanie cytostatyczne względem nowotworów piersi u kobiet, płuc, jelit oraz czerniaka złośliwego, ponad­to działanie przeciwmiażdżycowe i ochronne wobec układu krążenia. Wykorzystywany jest także podczas leczenia otyło­ści [2, 13].

MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA i znaczenie technik membranowych

Procesy membranowe są obecnie postrzegane jako sku­teczne narzędzia do opracowywania nowych produktów, któ­re coraz częściej zastępują tradycyjne operacje w technologii żywności. W zależności od wielkości porów membrany, ich właściwości oraz różnicy ciśnień po obu stronach membrany, służą do prowadzenia procesu separacji, który opiera się na selektywnej przepuszczalności przez membranę jednego lub więcej składników ciekłych [14].

Wśród procesów membranowych wyróżniamy mikrofil­trację (MF), ultrafiltrację (UF) nanofiltrację (NF) oraz odwró­coną osmozę (RO). W mikrofiltracji i ultrafiltracji wykorzystu­je się membrany porowate o rozmiarach porów odpowiednio 0,1-1 μm i 0,005-0,01 μm. Mikrofiltracja przeznaczona jest do separacji cząstek zawieszonych i dużych koloidów. W tej for­mie filtracji mogą być wykorzystywane membrany o średnicy porów rozdzielających drobnoustroje lub wybrane frakcje bia­łek natywnych, a także tłuszcz, natomiast ultrafiltracja może być stosowana do separacji laktozy, kwasów organicznych, peptydów i białek, w tym białek serwatkowych. Obecnie coraz bardziej popularne staje się wykorzystywanie procesów mem­branowych do separacji białek w formie natywnej [4].

Jednym z powodów, dla których techniki membranowe wciąż zdobywają popularność, okazuje się możliwość prowa­dzenia procesu w sposób ciągły, co jest niezmiernie istotne w procesach technologicznych. Ponadto, mogą występować wraz z innymi technikami. Ważny jest także fakt, iż w trakcie prowadzenia procesu separacji membranowej nie stosuje się żadnych dodatkowych środków chemicznych warunkujących wydajność oraz prowadzenie procesu rozdziału. Zatem z eko­nomicznego i ekologicznego punktu widzenia jest on bardziej atrakcyjny od tradycyjnych metod procesów separacji [16]. Na rysunku 1 zaprezentowano przykładową stację do proce­sów membranowych.

W przemyśle mleczarskim techniki membranowe wykorzy­stywane są do izolacji białek z mleka oraz serwatki [18]. W Polsce mikrofiltracja znalazła zastosowanie głównie przy produkcji mle­ka ESL (ang. Extended Shelf Life – mleko o przedłużonej trwało­ści, jest mikrofiltrowane z zachowanymi wartościami odżywczy­mi oraz wymaga dystrybucji w warunkach chłodniczych), przy produkcji serów, poza tym wykorzystuje się ją do oczyszczania, frakcjonowania i zagęszczania składników w mleku oraz ser­watce, a także do odtłuszczania serwatki przeznaczonej na kon­centraty białek serwatkowych. Proces mikrofiltracji stosowany jest m.in. do produkcji wyrobów mlecznych o podwyższonych parametrach jakościowych, ze względu na możliwość zatrzyma­nia bakterii i przetrwalników. Proces ultrafiltracji w przemyśle mleczarskim stosuje się w celu zwiększania koncentracji białek w mleku oraz w procesie zagęszczania i odzyskiwania białek, np. serwatki. [6, 19]. Jeżeli chodzi o frakcjonowanie bioaktyw­nych składników z mleka, to na świecie jest już wiele produktów mlecznych z ich udziałem. Kraje, które przodują w oferowaniiu produktów z dodatkami bioaktywnymi, to np.: Japonia, Finlan­dia, Kanada, Australia, Francja. Producenci oferują tam produkty mleczne (głównie napoje fermentowane) wzbogacone o: natyw­ne białka mleka (kazeina micelarna, białka serum) czy hydroli­zaty białkowe, fosfolipidy oraz białka otoczek kuleczek tłuszczo­wych (MFGM). W Polsce duże zakłady mleczarskie podejmują próby izolacji bioaktywnych składników z mleka, i jest to coraz bardziej w zasięgu produkcji na skalę przemysłową, oczywiście uwzględniając analizę ekonomiczną.

Wzrasta zastosowanie membran w produkcji specjali­stycznych surowców i półproduktów, które następnie stano­wią składnik żywności w postaci dodatku do produktów spo­żywczych. Jednym z przykładów jest serwatka, która stanowi idealny surowiec do produkcji wysokowartościowych pro­duktów, np. wysokobiałkowych. Z kolei ultrafiltracja znajdu­je zastosowanie w przeprowadzaniu procesów standaryzacji składu mleka [17].

Przemysł spożywczy stara się ofe­rować nowe rodzaje żywności w celu zaspokojenia rosnących potrzeb kon­sumenta. Na polskim rynku żywno­ściowym obserwuje się zmianę po­staw konsumenckich w odniesieniu do zdrowia i równowagi fizjologicznej organizmu. Doprowadziło to do prze­obrażeń w procesie projektowania i wprowadzania nowych produktów na rynek [11].

PODSUMOWANIE:

Mleko jest źródłem cennych i łatwo przyswajal­nych składników, które wykazują korzystny wpływ na zdrowie. Zawiera szereg bioaktywnych składników pochodzących zarówno z frakcji wodno-białkowej, jak i tłuszczowej. Każdy z komponentów mleka oddzielnie, jak również działając w połączeniu z innymi składni­kami wykazuje szereg właściwości prozdrowotnych. Odgrywają one istotną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu. Chociaż, składniki bioaktywne zawarte w mleku i przetworach mlecznych są dobrze zbadanym obszarem, to rozwój żywności funkcjonalnej o właściwościach zdrowotnych jest ryn­kiem, który cały czas z pewnością będzie się poszerzał. Dzięki wiedzy i zrozumieniu, jak te składniki funkcjonują, można opracowywać nowe produkty prozdrowotne oraz wykorzystać nowe, innowacyjne metody ich koncentracji bądź separacji.

---

Mgr inż. A. Zajączkowska, dr hab. inż. J. Kowalik, prof. UWM., dr hab.
J. Żulewska, prof. UWM, dr inż. A. Łobacz – Katedra Mleczarstwa i Zarządzania Jakością, Wydział Nauki o Żywności, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie;
e-mail: j.kowalik@uwm.edu.pl

LITERATURA:
[1] Aydın M., A.D. Karaman, H. Baytekin. 2016. „Serwatka. Aspekty teoretyczne”. Materiały szkoleniowe opracowane w ramach projektu WHY WHEY, Projekt realizowany w ramach Programu ERASMUS+ 2014-I-TROI-KA202-0I2957, Kraków : 31-55.
[2] Bochenek A., B. Kuczyńska. 2017. „Charakterystyka substancji biologicznie aktywnych tłuszczu mlekowego predysponująca produkty mleczarskie do uznania ich jako żywność funkcjonalną”. Przegląd Mleczarski 11 : 47-51.
[3] Brodziak A., J. Król, Z. Litwińczuk. 2017. „Mleko i produkty mleczne źródłem składników biologicznie czynnych”. Przemysł Spożywczy 71 : 9-10.
[4] Duong C.H., C.N. Nguyen, K.U. Do, T.S. Le. 2017 „Membrane processes and their potential applications for fresh water provision in Vietnam”. Vietnam Journal of Chemistry, International Edition 55 (5) : 533-536.
[5] Jauregui-Rincón J.E. Salinas-Miralles, N. Chávez-Vela, M. Jiménez-Vargas. 2018. „Glycomacropeptide: Biological Activities and Uses”. W Whey: Biological Properties and Alternative Uses, 1. Edited by Isabel Gigli, IntechOpen.
[6] Kowalik J. 2011. „Techniki membranowe w produkcji mleczarskiej” . Forum Mleczarskie Biznes 3 : 12-15.
[7] Król J., A. Brodziak. 2015. „Białka mleka o właściwościach antybakteryjnych”. Problemy Higieny i Epidemiologii 96 (2) : 399-405.
[8] Kumar R., S.K. Chauhan, G. Shinde, V. Subramanian, S. Nadanasabapathi. 2018. „Whey Proteins: A potential ingredient for food industry – A review”. Asian Journal of Dairy and Food Research 37 : 283-290.
[9] Kusio K., B. Sołowej. 2018. „Mleko – źródło wartości odżywczych i właściwości prozdrowotnych”. Przegląd Mleczarski 8 : 12-17.
[10] Majid S. 2016. „Bioactive components in milk and dairy products”. First cycle, G2E. Uppsala: SLU, Department of Food Science : 13-18.
[11] Małka H. 2018. „Żywność funkcjonalna i jej znaczenie na współczesnym rynku”. Przemysł Spożywczy 72 : 19.
[12] Nahajłko K. 2019. „Prozdrowotna aktywność wybranych składników mleka w aspekcie zmniejszania ryzyka rozwoju chorób cywilizacyjnych”. Przegląd Hodowlany 2 : 28.
[13] Olędzki R., A. Hristova. 2017. „Składniki bioaktywne w produktach funkcjonalnych i ich rola w żywieniu człowieka”. Nauki Inżynierskie i Technologie 1 (24) : 48-50.
[14] Piłat B., R. Zadernowski. 2017. „Substancje bioaktywne – pozytywne i negatywne skutki dodawania do żywności”. Przemysł Spożywczy 71 : 26.
[15] Smoczyński S.S. 2018. „Chemiczne aspekty higieny żywności – pozytywne chemiczne składniki mleka, cz. 2 Tłuszcz mlekowy”. Przegląd Mleczarski 4 : 31-32.
[16] Sokołowska O. 2018 „Membrany: Membrany dla mleczarni”. Forum Mleczarskie Biznes 4/2018 (34).
[17] Wołonciej M., 2017. „Laktoferyna – białko o multiwłaściwościach”. Gazeta Farmaceutyczna 2 : 28-30.
[18] Zakrzewska O. 2020. „Membrany: Procesy membranowe”. Forum Mleczarskie Biznes 3/2020 (40).
[19] Żulewska J. 2010. „Mikrofiltracja. Frakcjonowanie białek mleka”. Przemysł Spożywczy 10 : 26-29.