Protein fractionation by microfiltration in high-protein yogurt processing

Abstract

The main objective of the work presented in this thesis was to investigate the optimization of the microfiltration (MF) process in the production of high-protein yogurts (≥ 5.6% protein). High-protein yogurts have gained popularity during the last decade. However, research-based information about the impact of processing conditions on rheology, structure, and sensory properties of high-protein yogurt is limited.

The main proteins in milk, the caseins and whey proteins, can be fractionated into a casein-rich retentate and a permeate containing native whey proteins with the use of MF with membranes of 0.05–0.20 µm pore size. The native whey proteins can be further concentrated with ultrafiltration to a native whey protein concentrate (NWPC).

The effect of ceramic membrane pore size and filtration temperature on protein fractionation of skim milk by MF in a uniform transmembrane pressure system was investigated. An industrial MF application was modeled by performing MF with a constant permeate flux to a volume concentration factor of 2.5. Removal of native whey proteins increased with increasing pore size, giving the permeate from MF with the 0.20-µm membrane a significantly higher concentration of native whey proteins than the permeates from the 0.05- and 0.10-µm membranes (0.50, 0.24, and 0.39%, respectively). Significant amounts of small casein micelles (~130 nm) permeated the 0.20-µm membrane, resulting in a permeate with a white appearance, a casein content of 1.4%, and a casein distribution (αs2-casein (CN): αs1-CN: κ-CN: β-CN) similar to that of skim milk. The 0.10-µm membrane was found to be the most optimal for protein fractionation of skim milk into a casein concentrate and a permeate with native whey proteins and free from casein. Increasing the temperature of MF from 50 to 60°C when using the 0.10-µm membrane caused a reduction in native whey protein permeation and a steeper increase in transmembrane pressure during filtration. This was explained by potential interactions between whey proteins with casein micelles deposited on the membrane surface.

The permeate with native whey proteins from MF of skim milk was concentrated to a NWPC by ultrafiltration. Yogurt milk bases with ~8% protein were made by adding NWPC to casein concentrate in different whey protein:casein ratios (10:90–45:55). The degree of whey protein denaturation was then controlled by subjecting the yogurt milk base to varying degrees of high temperatures. The denaturation status of the whey proteins and the ratio of whey protein to casein significantly influenced the microstructure, coagulum particle size, storage modulus (G’), firmness, and sensory properties of the resulting stirred, high-protein yogurts. The addition of NWPC in low or moderate levels (whey protein to casein ratio 25:75 or 35:65, respectively) in combination with heat treatment of the yogurt milk base at 75°C for 5 min yielded yogurts with significantly lower firmness, lower G’, less coarse and granular appearances, and smoother consistencies, compared with corresponding yogurts produced from yogurt milk bases heat-treated at 95°C for 5 min or with control yogurts (no addition of NWPC). The addition of NWPC to the yogurt milk base after heat treatment or to the fermented yogurt before cooling gave stirred yogurts with unacceptable sensory appearances and consistencies. Thus, sensory acceptable high-protein yogurts, characterized as smooth and viscous, with considerable amounts of undenatured whey proteins (13-15 mg mL-1) (approximately 50% of the available whey proteins in the yogurt) could be produced by adding NWPC to the yogurt milk base and by controlling the denaturation degree of the whey proteins by heat treatment.

MF with 0.20-µm membranes was used to fractionate skim milk with an average casein micelle size of ~174 nm into a retentate and a permeate containing “large” (~183 nm) and “small” (~129 nm) casein micelles, respectively. The permeate with small casein micelles was further concentrated with 0.10-µm membranes. Casein micelle size of yogurt milk bases significantly influenced the rheological properties of set type, high-protein yogurts (~5.6% protein). Yogurt milk base with small casein micelles yielded yogurts with higher storage modulus (G’) and higher firmness than yogurt milk base with large casein micelles. Increased gelation capacity of small casein micelles can be explained by the increased amount of κ-CN.

The results obtained in this study revealed that MF of skim milk before fermentation can be utilized when producing high-protein yogurts. The choice of membrane pore size influences the protein composition of the resulting fractions, and thus the functional properties. High-protein yogurts with various properties regarding composition, structure, rheology, and sensory properties can be tailored with the use of retentates and permeates from protein fractionation by MF, and by controlling the degree of whey protein denaturation by heat treatment of the yogurt milk base.

Hovedmålet til dette forskningsprosjektet var å undersøke hvordan mikrofiltrering (MF) kan optimaliseres og benyttes ved produksjon av proteinrik yoghurt (≥ 5,6 % protein). Gjennom det siste tiåret har yoghurt med høyt proteininnhold blitt stadig mer populært. Det er imidlertid begrenset forskningsbasert informasjon om innvirkningen av ulike prosessbetingelser på reologiske, strukturelle og sensoriske egenskaper til proteinrik yoghurt.

Melkas hovedproteiner, kaseiner og myseproteiner, kan ved bruk av MF og membraner med porestørrelse fra 0,05 til 0,20 µm fraksjoneres til et kaseinrikt retentat og et permeat som inneholder native myseproteiner. De native myseproteinene kan videre konsentreres til et nativt myseproteinkonsentrat ved bruk av ultrafiltrering.

Effekten av porestørrelsen til keramiske membraner og filtreringstemperatur ble undersøkt ved proteinfraksjonering av melk ved bruk av et MF-system med et uniformt transmembrantrykk. MF av melk ble utført ved en konstant permeatfluks til en volumkonsentrasjonsfaktor tilsvarende 2,5 for å etterligne industriell anvendelse av MF. Mengden native myseproteiner som ble fjernet fra melka økte med økende membranporestørrelse. Det var en signifikant høyere konsentrasjon av native myseproteiner i permeatet fra MF med 0,20 µm-membraner enn i permeatene fra MF med 0,05 µm- og 0,10 µm-membraner (henholdsvis 0,50, 0,24 og 0,39 %). Betydelige mengder små kaseinmiceller (~130 nm) passerte gjennom 0,20 µm-membranen og ga et permeat med 1,4 % kasein. Dette resulterte i et permeat med et hvitt utseende og en kaseinsammensetning (αs2-kasein (KN): αs1-KN: κ-KN: β-KN) lik den som er i melk. Forsøket viste at membranen med 0,10 µm porestørrelse var den best egnede til å fraksjonere melk til et kaseinkonsentrat og et kaseinfritt permeat inneholdende native myseproteiner. En økning av filtreringstemperaturen fra 50 til 60 °C ved bruk av 0,10 µm-membranen førte til en reduksjon i mengde native myseproteiner som passerte gjennom membranen, samt en kraftigere økning i transmembrantrykk under filtreringen. Dette funnet ble tilskrevet potensielle interaksjoner mellom myseproteiner og kaseinmiceller som avsettes på membranens overflate.

De native myseproteinene i permeatet fra MF av skummet melk ble konsentrert til et nativt myseproteinkonsentrat ved bruk av ultrafiltrering. Yoghurtmelk med ~8 % protein ble laget ved å tilsette nativt myseproteinkonsentrat til kaseinkonsentrat i ulike myseprotein:kasein-forhold (10:90–45:55). Denatureringsgraden til myseproteinene ble kontrollert ved å utsette yoghurtmelka for varierende grad av høye temperaturer. Denatureringsgrad og myseprotein:kasein-forhold hadde signifikant effekt på mikrostruktur, gelpartikkelstørrelse, elastiske egenskaper (G’), grad av fasthet og sensoriske egenskaper til proteinrik yoghurt. Tilsetning av nativt myseproteinkonsentrat i lave eller moderate mengder (henholdsvis myseprotein:kasein-forhold 25:75 eller 35:65) i kombinasjon med varmebehandling av yoghurtmelka ved 75 °C i 5 min, resulterte i yoghurt med signifikant lavere grad av fasthet og elastiske egenskaper (G’), mindre klumpete og fnokkete utseende og glattere konsistens, sammenliknet med tilsvarende yoghurt framstilt av yoghurtmelk varmebehandlet ved 95 °C i 5 min eller kontroll-yoghurten som ikke var tilsatt nativt myseproteinkonsentrat. Tilsetning av nativt myseproteinkonsentrat til yoghurtmelka etter varmebehandling, eller til den fermenterte yoghurten før avkjøling, ga en rørt yoghurt med sensorisk uakseptabelt utseende og konsistens. Viskøs og glatt proteinrik yoghurt med et betydelig innhold av native myseproteiner (13-15 mg mL-1, omtrent 50% av de tilstedeværende myseproteinene) kunne framstilles ved å tilsette nativt myseproteinkonsentrat til yoghurtmelka og ved å kontrollere myseproteinenes denatureringsgrad under varmebehandlingen av yoghurtmelka.

MF med 0,20 µm-membraner ble benyttet til å fraksjonere skummet melk med en gjennomsnittlig kaseinmicellestørrelse tilnærmet 174 nm til et retentat og et permeat med henholdsvis «store» (~183 nm) og «små» (~129 nm) kaseinmiceller. Permeatet med de små kaseinmicellene ble videre konsentrert opp ved bruk av 0,10 µm-membraner. Yoghurtmelkas kaseinmicellestørrelse hadde signifikant innvirkning på de reologiske egenskapene til en set-type (urørt) proteinrik yoghurt (~5,6 % protein). Yoghurtmelka med små kaseinmiceller ga yoghurt som var fastere og hadde høyere grad av elastiske egenskaper (G’) enn yoghurtmelka med store kaseinmiceller. De små kaseinmicellenes forbedrede evne til å danne gel ble koblet til det økte innholdet av κ-KN.

Resultatene fra dette arbeidet har vist at MF av skummet melk før fermentering kan benyttes til framstilling av proteinrik yoghurt. Membranenes porestørrelse påvirker proteinsammensetningen til fraksjonene, og derved deres funksjonelle egenskaper. Anvendelse av fraksjoner fra MF av melk, og kontroll av myseproteiners denatureringsgrad under varmebehandling av yoghurtmelk, kan gi et bredt spekter av proteinrike yoghurtvarianter med ulik proteinsammensetning og sensoriske egenskaper (både struktur og konsistens).