Produzione di ingredienti alimentari da scarti e sottoprodotti dell'industria lattiero-casearia

A

LMA

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ATER

S

TUDIORUM

-

U

NIVERSITÀ DI

B

OLOGNA

DIPARTIMENTO DI SCIENZE E TECNOLOGIE AGRO-ALIMENTARI

CAMPUS DI CESENA

C

L

T

A

T

T

PRODUZIONE

DI

INGREDIENTI

ALIMENTARI

DA

SCARTI

E

SOTTOPRODOTTI

DELL’INDUSTRIA

LATTIERO

–

CASEARIA

T

82298

-

VALORIZZAZIONE

DEI

SOTTOPRODOTTI

DELL'INDUSTRIA

ALIMENTARE

Relatore:

Prof.ssa Rosalba Lanciotti

Candidata:

Chiara Dal Pozzo

Matricola N° 843513 Correlatore:

Dott. Lorenzo Siroli

Matricola N° 843513

Anno Accademico 2019/2020

i

INDICE

1. INTRODUZIO NE – Sottop rodotti e s carti d ell ’indus tri a al i mentare 1

2. SCOPO 4

3. LA FILIERA L ATT IERO CASE ARIA – Visi one nazionale ed eu rop ea 5

3.1 Sottoprodott i 7

4. SIERO DI L ATT E 9

4.1 Storia, produzione ed utili zzazi one del si ero 9

4.2 Composi zione del si ero di l att e 12

4.2.1 Il l att osio del si ero 13

4.2.2 I mi nerali e l e vit ami ne del si ero 14

4.2.3 Le prot eine del si er o 15

4.2.3.1 Propri et à nut ri zionali, funzionali e bi omediche delle sieroprotei n e

16

4.2.3.2 Effetto della t emperatura sull e prot ei ne del s ier o 18 4.2.4 I pept idi bioatti vi nel si ero di latt e 19 4.3 Cont aminanti chim i ci e biologi ci del si ero 20 4.3.1 Regolam enti e ISO per l e analisi del si ero 21 4.3.2 Met alli con effetti tossici nel siero 22

5. STRATEG IE DI GE STIONE E RE CUPERO DEL SIE RO 23 5.1 P rocessi tradizi onali di tratt am ent o del s iero 24

5.2 Tratt am enti biol ogi ci 25

5.2.1 Estrazione dei peptidi bioatti vi dal si ero 27

5.2.2 Idrolis i enzim ati ca del l att osio 28

5.3 Tratt am ent i chim ici 29

5.4 Tratt am ent i fisi ci 31

5.4.1 Separazioni s u m embrana 31

5.4.1.1 Crist alli zzazi one del latt osio 38

6. UTILIZZI I NDUS TRIAL I E/O DO MESTI CI DEL SI ERO E DEI PRO DOTTI DA ES SO ESTRATTI

40

7. CASO STUDIO 48

8. CONCLUS IONI 52

1

1. INTRODUZIO NE – Sottop rodotti e scarti d ell ’indus tri a al i mentare

A causa dell a cres cita dem ografi ca ri scontrat a negli ult imi anni e dei conti nui cambi am enti dell a domanda dei consumatori , in bas e all e mutazioni dell o st ile di vita di questi, c’è stato un notevole incremento del numero di industrie di trasform azione alim entare.

L’ampliamento della produzione di alimenti a base di carne, di prodotti da forno e farinacei, preparazion i R TE (R eady to Eat), prodotti l atti ero-cas eari , enologi ci , et c. ha portato ad un aument o di s carti e sot toprodotti e quindi ad un enorme spreco di risors e.

Vengono defi niti “ Wast e” qual si asi sostanza od oggetto di cui il det ent ore si di sfi o abbia l’intenzione o l’obbligo di disfarsi, più specificatamente il “ Food Waste” è lo spreco (o s cart o) che vi ene prodott o in fase di t ras formazione i ndustrial e, distribuzione e cons umo fi nal e , m ent re i “Food Loss es ” sono le perdit e alim ent ari qualitative e quantit ative che si hanno durant e l a fase di produzi one agricol a, p ost - raccolt a e tras form azione degli alim enti . I primi s pesso dipendono da limit i tecni ci e st rutt urali dell a t ras formazi one, produzione e dei si stemi distribut ivi, da as pet ti legati alle eccedenze di acqui sti da part e del consum at ore ed errori nell a conse rvazione degli alim enti , s em pre più diffusi nei paesi i ndustri ali zzati . I secondi invece dipendono da limi ti dell e t ecni che agri col e e dall e infrastrutture, fattori clim ati ci ed ambient ali o surpl us produtti vi e dal m ancato ris petto degli standard di produ zione e cons ervazione, questi sono invece più di ffusi nei paesi i n vi a di sviluppo.

Nel la m aggior parte dell e l egi slazi oni europee l a produzione di residui vi ene definit a come produzione di rifiuti, ma negli ultimi anni sono stati identificati anche i “By - products” ovvero i sottoprodotti: prodotti che si formano durante la trasformazione, non util izzati di rettament e com e risorsa da chi li otti ene. Hanno una si gni ficati va importanza in quant o i s ottoprodotti pot rebbero ancora cont enere sostanze con un el ev ato valore aggiunto, ed el evat o val ore di mercato che pos sono ess ere uti lizzat e e/o t rasform at e in prodotti “utili ”. P uò non essere considerato un ri fiuto, m a un sottoprodott o solo se soddisfa det erminat e condi zioni (Figura. 1): deve essere cert o un suo ul t eriore uti li zzo, può essere uti lizzato dirett am ent e s enza alcun tratt am ent o, l’utilizzo di questo deve essere legale, ovvero il prodotto deve soddisfare tutti i requisiti riguardanti la salvaguardia della salute e dell’ambiente e deve essere

2

prodott o com e part e integrant e di un processo di produzione (Decret o Mi nist erial e 13 ot tobre 2016, n. 264) .

Scarti e sottoprodotti provenienti da vari settori dell’industria alimentare possono ess ere suddivi si i n due pri ncipali gruppi e sett e sotto -categori e (Gal anaki s, 2012):

1. Origin e animal e:

- Prodotti a base di carne 20% - Pesce e frutti di mare 30% - Prodotti lattiero caseari 20%

2. Origin e vegetale:

- Cereali 30%

- Radici e tuberi 45%

- Colture da olio e legumi 20% - Frutta e verdura 45%

Il cont enuto considerevol e di s ost anze nutriti ve pres ente nei sottoprodott i li rende un argomento importante per un’attenta valorizzazione. La valorizzazione ci perm ett e di ri utili zzare event ual i nutri enti presenti, increment ando pot enzi ali guadagni e ridu cendo l’im patto ambi ent al e dell a produzione alim ent are a li vello indus tri al e. I fatt ori scat enanti che hanno sensibi lizzato l a gesti one sos tenibil e e val ori zzazi one dei s ottoprodotti a livell o global e sono st ati l e stringenti norm ati ve ambi ent ali e le cres centi preoccupazi oni verso l’ambiente, l ’utili zzo sost enibi le dell e ri sors e nat urali at traverso lo sviluppo economi co e i costi di sm alt imento dei rifiuti. I by products s ono st ati presi in considerazione, anche se cont engono fatt ori sfavorevol i che fungon o da barri ere per l a l avorazione di questi prodotti com e un el evato contenuto di acqua che ha un effett o import ant e s ui cos ti di t rasport o, sull’attività microbica ed enzimatica. Tutti questi elementi rendono i by products facilm ente deperi bili e soggetti a deterioram ento e in caso di el evato contenut o di grassi sono anche suscettibili ad ossi dazi oni .

3

Figura 1. Di agr amma decisional e per l ’assegnaz ione del t er mine “sott opr odotto”

o “rifiuto” secondo la legislazione. (htt p://www.compost .it/)

.

La gest ione e l a val ori zzazione dei “food l oss ”, “food wast e ” e “by–product” ha attirato l’attenzione di ricercatori e delle industrie alimentari per ridurre l’impatto ambi ent al e, per l a ri duzione dell ’ut ili zzo dell e ris orse pri mari e, per un uti lizzo più effi cace del le ris ors e naturali ed una riduzi one dei ri fiuti ali ment ari dest i nati all e discari che.

La t em ati ca è risult ata di fondam ent al e i mportanza t anto che nel luglio 2014 l a C E ha em anat o alcuni obiett ivi e norm e per la gestione e la prevenzione dei ri fiuti che mira ad una costante ricerca di sostenibil ità dell e produzioni, re cupero di scart i e

4

sottoprodott i ed otti mizzazi one dell e ris ors e, ponendosi com e obi ettivo la riduzi one dei ri fiut i alim ent ari alm eno del 30% t ra i l 1 gennaio 2017 e il 31 di cem bre 2025.

Più speci ficat am ente i prodotti lat tiero cas eari sono contingent ati n el REGOLAMENTO (CE) n. 1069/2009 DEL PAR LAMENTO EUROP EO E DEL CONS IGLIO del 21 ottobre 2009 recant e norm e sanit ari e rel at ive ai sott oprodotti di origine animale e ai prodotti derivati non dest inati al consum o umano, che abroga il regol am ent o (CE) n. 1774/2 002 (regolam ent o s ui s ottoprodot t i di origine anim al e) il quale sottolineava che tali prodotti potessero essere destinati all’alimentazione degli animali di allevamento attraverso l’adozione di misure specifiche per la raccolta, il trasporto e l’utilizzo d egli stessi, al fine di ridurre al minimo il pericolo di m alatti e t rasmissi bili e di rifi uti.

2. SCOPO

L'indust ri a l atti ero -cas eari a è suddivi sa i n diversi s ettori , che sono ass oci ati all a produzione di acque refl ue al tam ent e inqui nanti . Ques ti effluenti hanno caratt eristi che divers e, a seconda del prodotto ot tenuto (yogurt, formaggio, burro, latt e, gelat o, ecc.).

Tra i param et ri chiave che caratt erizzano questi sot toprodotti , gli effluenti l atti ero -caseari mos trano un cari co organi co rel ativam ent e elevato, monitorato da B OD (dom anda bi ologica di ossigeno) e COD (dom anda chimica di os sigeno) nell 'int ervallo di 0,1 -100 kg m− 3 con un indi ce di bi odegradabili tà (B OD5/COD) tipicam ent e com pres o tra 0,4 e 0,8. Il contenuto di sostanza organi ca è dovut o princi pal mente all a pres enza di carboidrat i del l att e e prot eine quali l attos io e caseina, rispetti vamente. Inolt re, anche il cont enuto di grassi (0,1 –10,6 kg m− 3), di solidi s ospesi (0,1 –22 kg m− 3) e di sost anze nut riti ve (N e P ) contri buis cono ai li vell i di cont ami nazi one. La nat ura mut evol e degli effluenti del l atte rende il t ratt amento un compito diffi cil e. S enza un tratt am ento appropri ato, questi effl uenti pongono gravi ri schi ambi entali (Ri vas et al ., 2011). Per quest o si rendono necessari processi biologici e fisi co -chi mici per tratt are gl i effl uenti del l att e (Kushwaha et al ., 2010).

Il si ero di l att e rappresent a sicuram ente il sott oprodotto a m aggiore impatto ambi ent al e generato nell a produzione del form aggi o (R aj es hwari et al ., 2000). Al fine di ri durre il B OD e ott enere prodotti ad al to valore aggi unto, sono stat i propost i

5

divers i approcci e processi biot ecnologi ci . Studi volti a valut are l 'idoneit à del si ero di l atte a produrre s ingl e cel l prot ein (S CP) uti lizzando il li evit o Kluyveromyces

fragili s hanno dim os trato una riduzione del C OD total e del 42% e del 98% del suo

val ore inizi al e, ri spettivamente s enza e con l a rimozione dell a bi om ass a di lievito . Inol tre, di versi st udi hanno i ndi cato la possib ilit à di produrre, a partire dal siero di latt e, di versi acidi organici e al tri prodotti util i, com e peptidi bioatt ivi , si ero di l att e acido, bevande a bas e di si ero di l att e, zuppe di si ero di latt e, SCP, enzim i, carotenoidi, bi o -conservant i come LB A, gom m e biol ogi che, esopoli saccari di (inclusi gal atto -oligosaccaridi ) e bioplasti che i ncl us i poli dross ial canoati .

In quest o cont esto, l o s copo di questo el aborato è quello di anali zzare in m odo cri tico l e fas i dell a fili era l atti ero cas eari a per poter identifi care qual i sono i princi pal i s carti e sottoprodotti, pass ando in ras segna le caratt eri sti che nut ri zionali e com pos itive di questi , per ril evare l ’i nci denza che hanno a livell o di i mpatt o ambi ent al e.

Saranno altresì analizzate l e principal i t ecnol ogi e innovative o t radizionali impiegate per l a valori zzazione del si ero di l att e e che perm ettono dunque l’ottenimento di molecole ad alto valore aggiunto .

Inol tre, il present e lavoro m ett erà in luce l e capacit à funzi onali dei cost ituenti chimi ci del si ero di l atte prom uovendo un’i ndustri a che si focali zza sull a val ori zzazi one dei sotto prodott i, cons entendo così di dim inui re e/o eli minare l’impatto ambientale dei caseifici e generare nuove risorse dalla trasformazione dell e sost anze che venivano precedent em e nte consi derat e rifi ut i.

Questi obiettivi sono coerenti con l’Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile sottoscritta nel settembre 2015 dai governi dei 193 paesi membri dell’ONU.

Sarà inoltre approfondita una pratica per l’ottenimento di molecole ad elevato valore aggiunt o a parti re da siero . In parti col are, verrà crit icam ent e anali zzat a una m odalit à di val ori zzazi one del si ero di l att e grazi e all a ferm entazione da part e di lieviti , con produzione di SCP (Single Cel l Prot ein), i n quanto ri sult a es sere un process o economico che perm ett e di ris olvere, al meno in part e, l a princi pal e probl em ati ca dell a fili era l atti ero –cas eari a l egat a al l ’impatt o am bi ent al e in quant o cons ent e contem poraneam ent e la ri duzione del C OD .

6

3. FILIE RA L ATTIE RO CASEARIA – Vis ione n a zional e ed europ ea

L’industria lattiero casearia italiana può essere considerata un fiore all’occhiello del paese per l a qual ità e l a quantit à dei prodotti imm ess i s ul mercato sem pre più conos ciuti ed im itat i in t utto il m ondo.

Si arti col a in una vas ta gam m a di prodotti : latt e pastorizzato e steril e, burro, crem a, latti ferm ent ati , condens ati , concentrati e formaggi (fres chi, s t agi onati, cotti , ecc..)

Generalm ent e vi ene impiega to lat te bovi no, ovi no, capri no e bufalino prodotti in tutto il p aes e, con elevat e concent razi oni in al cune regi oni , dove rappres enta un importante fattore di sviluppo e di occupazione nel settore primario e nell’industria di t rasform azione .

Circa i l 60% del lat te prodott o in It ali a viene destinat o al l a t rasform azione dei prodotti cas eari . Questo s ettore produttivo si di fferenzi a in m odo chi aro t ra medi e e grandi indust ri e da un l ato e casei fi ci di dim ension i artigi anal i e pi ccol e unit à annes se al le azi ende a grari e dall ’alt ro. Le impres e di pi ccol e di mens ioni e le azi ende cooperative s i dedi cano all a produzione di form aggi duri o semi duri tipi ci e di qualità (com e ad es empi o i l P armigi ano Reggi ano o il Grana P adano), mentre l e impres e di m edie e grandi dimensi oni operano nel com parto del latt e alim ent are e in quello del la produzi one di form aggi freschi di l argo cons umo.

L'Itali a occupa una posi zione import ant e nel panoram a mondial e dell a produzione di l att e vacci no cont ribuendo, con una produzione pari a 11.305 .601 t (92.4% dell a produzione t ot ale di latt e it ali ano), ci rca il 10% dell a produzi one dell a Unione Europea che copre, a sua volta, olt re il 22% del la produzione mondi ale. A quest a ricchezza produtti va si deve aggi ungere il l att e di alt re specie latti fere , qual i ovini (660.453 t pari al 5.4% del t ot ale), caprini (120.790 t pari all'1% del t otale) e bufali ni (150.500 t pari all'1.2% del t ot al e) che hanno un notevol e peso nel contest o produtti vo i tal iano.

Il l att e che vi ene ut i lizzato nell a produzi one di fo rm aggi o si divide a sua volt a in prodotti con denominazione d’origine 36,4% e il restante 33,6% viene indirizzato all a produzione di formaggi generi ci .

Per quant o ri guarda l a reali zzazione di formaggi , l a produzione e urop ea rappresent a circa il 45% dell a produzione mondi ale.

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L’Italia si colloca al quinto posto tra i paesi produttori con il 6% della produzione total e dopo USA, ex URSS, Francia e Germani a (Ercoli , et al . 2017 ).

La produzione cas earia nazional e, a differenza di quell a dei P aesi del nord Europa, è caratt eri zzat a da un el evat o num ero di i mpianti di tras form azione. Dai dati ISTAT (2000) risulta infatti che l’Italia nel 1999 contava circa 2000 caseifici, che trasform avano oltre 9 milioni di t onnell ate di l att e.

Nel la Tabell a 1 s ono elencat e le regioni it aliane affi ancate dal num ero di unit à produtti ve locali nel sett ore l atti ero caseario, in cui possi amo not are che quelle con il maggior num ero di impi anti nel 1997 erano: Veneto, Cam pania, Lombardi a ed Emili a-R omagna.

Tabella 1 . Numero di unit à produtti ve l ocali nel s ettore latt ier o -cas eario (1997) per

tipo e regione in Ital ia (el aborazi oni A.I.A. s u dati IST AT)

REGIONI CASEIFICI E CENTRALI DEL LATTE STABILIMENTI DI AZIENDE AGRICOLE STABILIMENTI DI ENTI COOPERATIVI* CENTRI DI RACCOLTA TOTALE PIEMONTE 74 3 19 3 99 VALLE D’AOSTA 4 1 13 - 18 LOMBARDIA 148 12 142 5 307 TRENTINO -ALTO ADIGE 10 - 30 1 41 BOLZANO 5 - 8 1 14 TRENTO 5 - 22 - 27 VENETO 91 5 85 7 188 FRIULI -VENEZIA GIULIA 26 1 73 14 114 LIGURIA _{7 1 3 1 12} EMILIA – ROMAGNA 108 11 403 2 524 TOSCANA 35 3 12 2 52 UMBRIA 13 - 3 - 16 MARCHE 8 - 1 - 9 LAZIO 64 3 1 1 69 ABRUZZO 37 - 1 - 38 MOLISE 24 - 1 - 25 CAMPANIA 214 5 1 4 224 PUGLIA 137 3 14 3 157 BASILICATA 32 4 9 1 46 CALABRIA 26 4 1 1 32 SICILIA 14 3 1 - 18 SARDEGNA 30 2 18 2 52 ITALIA 1102 61 831 47 2041 *comprese le l att eri e turnari e e di prest anza

8

In Italia l’INSOR ha censito nel 1991 circa 400 varietà di formaggi. Come riportato in Figura 2, n el 2014 tra l e produzioni più import anti dist ri buit e nell e vari e regioni itali ane si di stinguevano 49 form aggi DOP.

Figura 2. For maggi DOP prodotti con l at te di vacca e alt re s pecie nel 2014 i n Itali a

(CLAL, 2014.)

3.1 S ottop rod otti

Il problema dei “rifiuti” inteso come sostenibilità industriale non è un tema di recent e att enzi one. Già nell a Di rettiva 2008/98/CE si evince l’i nt enzione di voler pot enziare il m ercat o dei sottoprodotti per ridurre la produzi one dei rifiuti e migliorare l’efficienza dell’utilizzazione delle materie prime e ridurre l’impatto ambi ent al e.

In t utt e l e fasi dell a fili era lat tiero -casearia (fo rmul azione, lavorazi one, confezion am ent o, t rasporto, cons ervazi one, di stribuzione, ecc.) si generano s cart i qualitativi e quantit ativi, generalm ent e intorno al 2% dell a produzione complessiva dell’industria, che possono causare seri problemi di inquinamen to.

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- I prodotti lattiero –caseari stessi, materie prime o prodotti finiti (fuoriuscita durant e il ri em pim ento, ri fi uti associ ati a requisi ti di i gi ene, perdit e di process o, ecc.);

- I reagenti utiliz zati per il lavaggio degli impianti che sono generalmente prodotti acidi , basi ci e st erili zzanti (si tratta di reagenti mi nerali che non com portano inquinament o specifi co perché presenti in bas se concent razioni , tuttavi a, poss ono causare pi cchi di pH al cal ino o aci do).

I pri nci pali sottoprodotti associ ati all a produzione di yogurt, formaggi o fres co, formaggi o st agionato, burro ecc. sono il si ero di l att e e le acque reflue di l avorazione con caratteris tiche divers e i n bas e al prodott o ott enuto ed alla t ipol o gi a di l att e utili zzato.

I reflui derivanti dall’attività lattiero casearia hanno un alto carico organico causato dall a pres enza di carboidrati e prot ei ne del latt e, ques to viene monitorato grazi e all a Dom anda Bi ologi ca di Oss igeno (BOD) e Domanda Chimi ca di Ossi geno (COD). Questi due param etri ci permet tono di det erminare l a bi odegradabili tà degli effluenti tramit e un indi ce, es press o come il rapporto t ra B OD5 e COD, solit am ent e compres o

tra 0.4 e 0.8.

A caus a del grado di contami nazi one di tali effluenti non è pos sibil e smaltirli senza arrecare danno all’ambiente ricevente (Prazeres, et al., 2012).

Nel la Tabell a 2 è riport at a una stim a del bilanci o di m ass a dei pri ncipali prodot ti di ingres so e dei corrispondenti prodotti , sott oprodot ti, rifi uti ed effl uen ti in usci ta nel process o di t rasform azione del l att e. S econdo questo bil ancio la quantit à di si ero prodotto rappresenta l’88,7% del peso del latte lavorato, quindi per ogni chil ogram mo di form aggio residuano 7,8 Kg di si ero.

Tabella 2. Bil ancio di mass a del process o di caseifi cazi one (ANPA,1999.)

TIPOLOGIA DEL MATERIALE QUANTITA’(Kg)

In entrata

Latte per formaggio 100,0

Latte per altri prodotti 3,6

Acqua 135,8

Additivi 2,1

In uscita

10

Burro, yogurt, altro 4,1

Siero 88,7

Effluenti 137,1

Resi e scarti 0,2

4. SIE RO DI L ATT E

4.1 S toria, p rodu zione ed u tili zzazion e del s iero

Il prodott o s econdario principal e dell a fi liera lat tiero –cas eari a è il siero . Si t ratt a dell a frazi one l iqui da ri sult ant e dall a coagulazione del l at te e dall a succes siva separazi one dell a cagliat a, è un li qui do di colore gi allo/verdognol o, si pos sono ottenere fino a 9 L di prodott o per ogni Kg di formaggi o (Smi t hers , 2008). La parol a siero deri va dall a lingua l atina “seracei”, “seras” , si gni fi ca “sottoprodott o ” ed era considerat o un ottim o alim ento si a dai cont adini che dall a cl ass e feudal e durant e tutto il medioevo quando, dopo l a produzione di formaggi o, si facevan o coagul are le protei ne cont enut e nel si ero, ott enendo la ri cott a (M ontuoro, 2006).

Attorno alla metà del 1600 di venne una bevanda alla moda nell e citt à ingl esi, nel XIX s ecolo i l si ero veni va utili zzat o com e ingredi ente i n mol t e bevande, m ent re nel 1900 ci fu un notevole i ncrem ent o di st udi per l ’estrazione del le sue com ponenti . Il cres cent e i nteress e nell e appl icazioni industri ali del si ero ha port at o allo sviluppo di processi per il recupero di questo prodotto. In Italia, negli anni ‘90, vennero istituit i i prim i centri per la l avorazi one e la concentrazione del si ero di latte.

Grazie all o svi luppo tecnol ogi co, oggi, le componenti da es so estratt e vengono utili zzare in una vasta area di indust rie: cosm eti ca, farm aceuti ca, dolci ari a et c. anche se l a maggio r part e viene ancora utili zzato per l a produzione di ricott a e nell’industria della mangimistica.

I pri ncipali st adi , durant e l a produzione dei formaggi (Figura 3.), i n cui avviene l a separazi one del si ero sono:

- La fase di sineresi, ovvero lo spurgo della cagliata (liberazione del siero) per effetto dell a contrazi one naturale dei l egami;

- La rottura della cagliata che avviene all’interno della caldaia atta a favorire la separazi one dell a maggior parte del siero del la m ass a caseosa gel ifi cat a;

11

- Le fasi di messa in forma, pressatura e stufatura : nei formaggi molli, la cagli at a vi ene l as ci ata negli st ampi affinché ril as ci il siero per effet to dell a gravit à, nei formaggi semi duri, i nvece, una volta che la cagl iat a vi ene m es sa negli apposi ti stampi l’es puls ione del si ero avviene t ramit e l a press atura. Nei formaggi a past a dura l o spurgo vi ene effettuat o t ramit e un sist em a di pressi one con apposi ti pesi;

- La fase di salatura, che ha lo scopo di regolare il contenuto di acqua favorendo lo spurgo .

Figura 3. Schema gener ale della pr oduzi one dei f or maggi

Nel le t abell e s ottost anti (Tabell a 3 e 4) pos si amo not are il quantit ativo di siero prodott o nel 2009 i n Italia, i n bas e all a t i pologia di form aggi e all ’area geografica.

Tabella 3. Si ero ricavat o (Kg) dai vari tipi di formaggi i n Ital ia (El aborazi one

CLAL, 2009).

PRODOTTO Resa in formaggio da 100 Kg di latte intero

Kg di siero ricavati da 100 Kg di latte intero

12

Formaggi freschi 14,67 85

Formaggi molli 13,66 85

Formaggi semiduri 10,37 85

Formaggi duri 7,63 85

Tabella 4. Quantit à di siero (tonnel late) r icavabil e da tutti i for maggi

(El aborazione CLAL , su dati IST AT r el ati vi alla produzi one di for maggio 2009).

AREA GEOGRAFICA

Formaggio prodotto Milk Equivalent Siero ricavabile

Nord 845,226 8.203,182 6.972,705

Centro 91,136 760,147 646,125

Sud 241,161 2.020,657 1.717,559

Totale Italia 1.177,523 10.983,987 9.336,389

Nel la Tabell a 5 sono ri po rt ate l e princi pali utili zzazi oni del siero e sono mes se a confront o l e quanti t à di questo , del 2013 e del 2017. Tra i due anni presi i n considerazione possi amo nota re che non ci sono parti colari variazioni , i n It ali a sono stati uti lizzati circa 30.000.000 quint ali/ anno tra la produzione di ri cot ta e l’utilizzazione nella mangimistica, che corrisponde a circa il 66% di siero prodotto. A causa dell e grandi quant ità prodott e, spes so una percentual e di si ero non vi ene utili zzat a, ma vi ene elimi nat a grazi e a dei met odi di s mal tim ento che hanno el evat i cost i di processo .

Tabella 5. Ut ilizz o del s iero di latte (qui ntali ) in Italia (IST AT 2013/2017)

2013 2017

Siero di latte utilizzato per la produzione di ricotta

7.958,016 7.946,706

Siero di latte utilizzato in forma liquida per l’alimentazione del bestiame

21.579,686 22.494,001

Siero di latte utilizzato sotto forma concentrata

11.164.349 12.616,211

Siero di latte in polvere e in pezzi

7.213,537 7.658,811

Secondo il Codice CER 020203, il siero fa parte degli “scarti inutilizzabili per il consumo e la trasformazione” (Dlgs 152/06), ma può essere considerato sottoprodott o o ri fiuto i n base al suo util izzo. Viene considerato rifi uto se ha una

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cari ca batt erica t ot al e pi uttos to el evat a, se quest a i nvece è bas sa può ess ere considerat o un s ottoprodott o.

Prim a degli anni ‘70 era considerato un rifiuto e il suo sm altim ent o causava un fort e inqui nam ento all ’am biente , m a p er evit are che il si ero con CBT (cari ca batt erica total e) bass a foss e smalt ito i nutilm ente, l e azi ende i niziarono a raffi narlo, puri fi carl o e quindi l o res ero i doneo per l ’al iment azi one umana .

Il siero ha un’elevata richiesta biochimica di ossigeno (BOD) da 40.000 a 60.000 ppm e una richiest a chimi ca di ossigeno (COD) da 50.000 a 80.000 ppm a caus a dell’elevata percentuale di lattosio (Ryan et al, 2016). Si può notare quindi, che l’inquinamento dato dal siero supera i limiti indicati nella legge Merli 319/72 (abrogat a poi success ivam ent e dal Dl gs 152/06) che sono ris pet tivam ente 40 -80 mg/l per il B OD e 160 m g/l per il C OD: quindi il si ero per ess ere smalt ito nel sist em a fognario deve ess ere prim a t ratt ato .

4.2 Compos izi one del s iero di latte

Il si ero di l att e corri sponde ci rca al l’8 5-95% del volum e del latt e ed è una mis cel a acquosa format a principalm ent e da acqua (93%). Il rest ant e 7% è rappres ent ato da com ponenti in sol uzi one o sol uzi one col l oidale, emul sione e sospens ione: 77 -80% di l attos io, 5 -12% di proteine, 8% di sal i minerali , 0,5% di grasso e 3% di aci do latti co (Depuydt, 2008).

La s ua com posi zione varia i n funzi one di di versi fattori, qual i l a sp ecie all evat a, l’alimentazione di questa, la razza, la stagione di produzione del latte, ma soprat tutto il t ipo di form aggio e l a tecnica di produzi one ut ilizzata (Tabella 6). Alcuni esem pi per quanto riguarda la composi zione variabil e: il t enore di cal cio e fos foro nel si ero sono influenzati dal ti po di coagulazione del latt e , il processo di caseifi cazione può m odificare il t enore di gras so e di acido l at tico, il si ero s arà pi ù ricco di el em ent i se provi ene da l avorazioni da l att e int ero, s peci alm ent e se a cottura molto spinta.

La cont ami nazi one i norgani ca del si ero è attri bui bile all a presenza di sali mineral i (0,46 -10%), principalm ent e NaC l, KCl e sali di s odi o che vengono addizi onati durant e il processo di produzi one.

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Tabella 6. Composiz ione chi mica de l si ero (ENEA, 2006).

Composizione chimica del siero

Parametri Valori

pH 5,5-6

COD (mg/L) 70.000

Densità (g/cm3) 1,025

Carica microbica (UFC/g) 120.000

Ceneri (g/L) 5,5 Grassi (g/L) 0,5 Lattosio (g/L) 47,0 Acido L-lattico (g/L) 1,3 Proteine totali (g/L) 8,6 Sostanza secca (g/L) 64,0

A s econda dell a t ecnologia adot tat a, il siero prodotto può risult are dol ce (cioè a bas sa acidit à) con pH > 5,6, oppure acido con pH < 5,1 (Tabel l a 7). In It ali a m aggior part e di si ero prodott o è di tipo dolce ma va spont aneam ente i ncontro ad una rapi da acidi ficazione per azione dei bat teri l atti ci, raggi ungendo così nel gi ro di poche ore val ori di pH inferi ori a 4.

Tabella 7. Diff er enza dei cost ituenti chi mi ci del si er o dol ce ed acido

(Depuydt,2008).

Siero dolce Siero acido

g/L % su secco g/L % su secco Sostanza secca 62 100 57 100 Proteine 7,5 12,1 3 5,3 Lattosio 48 77,4 46 80,7 Ceneri 6 9,7 8 14 Grasso 0,5 0,8 - - pH 6,1 4,6 4.2.1 Il lattosi o d el siero

Il lattosi o è uno dei com ponenti più im portanti del si ero, è un di saccari de form ato da una m olecola di gal attosio e una di glucosi o , è presente in soluzione i n due form e: la forma α, solubile ad elevate temperature, e la forma β, solubile in normali condizioni ambientali. Il lattosio costituisce un’importante risorsa di energia nella

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diet a quoti di ana e dal punt o di vist a funzi onale fa voris ce l ’ass orbi mento del cal cio a l ivello int esti nale. La sua dol cezza in soluzione è pari al 20% dell a dolcezza del saccarosi o e può ess ere s eparato dal si ero t ram ite cri stal lizzazione. Questo trova attualm ent e diversi utili zzi , ad es empio com e i ngredi e nt e nel le preparazioni dol ciari e per promuovere l a reazi one di Mai llard, com e s ubstrat o o ingredi ent e nell’industria farmaceutica e per l’umanizzazione dei latti per l’infanzia.

4.2.2 I minerali e l e vitamine del si ero

I minerali pres enti nel siero gi ocano un im port ante ruolo nell a regolazione dei flussi d’acqua per osmosi a livello cellulare. Il siero presenta un basso tenore di sodio/potassio, fatto importante per prevenire l’elevata pressione sanguigna. Sono pres enti anche:

- Calcio e fosfati che supportano la crescita e il mantenimento di ossa e denti. - Lo zinco svolge molte funzioni, come quella di stimolare l’attività

dell’insulina per l’assorbimento del glucosio del sangue;

- Il ferro che costituisce una parte fondamentale di alcune metallo proteine (em ogl obina, l attoferrina, lat toperossidasi ).

- Lo iodio che costituisce una componente importante dell’ormone tiroideo che gioca un ruolo fondament al e nell a regol azione dell a cres cit a e nello s viluppo del neonato.

Le vit ami ne pres ent i nel si ero sono i dro s olubi li. Es se s upport ano funzioni fisiologiche dell’organismo, quali il metabolismo di carboidrati, grassi e proteine (vit ami na B 5), l a crescit a e l a riparazione dei t es suti (vitam i na B 2) ( De Wi t et al., 2001). La vit ami na B2 è utili zzata anche i n num eros e reazioni m et aboliche che coinvolg ono l a biosint esi di alt re vit amine. Nel si ero la concent razi one dell a ribofl avi na è di ci rca 1,9 g/ L, e raggiunge i 9 g/ L nel concentrat o di nanofi ltrazione ( NF). L’acido pantotenico (vi t amina B5) ha un ruol o fondam ental e nel m et aboli smo cell ulare essendo un costit uente es senzial e del coenzim a A, è essenzial e nell a si nt esi del col est erolo, degl i st eroidi e degli acidi grassi e favorisce l’utilizzazione di altre vitamine, principalmente la riboflavina. Nel si ero si t rova a d una concent razi one medi a di ci rca 4 g/L .

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4.2.3 L e p roteine del si ero

Le proteine del s iero di l att e hanno un alto val ore biol ogi co, funzional e e nutrizi onal e. Le pri ncipali sono α -l attoal bumina, si eroalbumi na, β -l attoglobulina, lattoferri na, i mmunoglobuline e gl icomacropept idi (Marell a, 2009; M agarò, 2012). Quest e prot ei ne sono tutte presenti nel si ero es si ccato senza frazionam enti prelimi nari, e hanno s us cit at o un not evole interess e per quanto ri guarda l a formul azione di prodotti per s portivi .

La β-lattoglobulina (50-55%), è una buona fonte di aminoacidi ramificati e ha la capacit à di legare l e vitam ine liposol ubili (A e E), gli aci di grassi e i mi nerali com e lo zinco e il cal ci o, rendendoli più dis ponibili per l ’organi smo (M arella, 2009; Magarò, 2012) , i n soluzione ad un pH di 5.2 esist e prevalent em ent e in forma dimeri ca, l e cui si ngole unit à s ono unit e da l egami non coval enti . Le variazi oni di pH pos sono port a re all a dissoci azione della prot eina nei suoi monomeri , m ent re a pH > 8 si può osservare l’ossidazione dei gruppi SH.

La α-lattoalbumina (20-25%) è molto importante per la biosintesi del lattosio nelle ghi andole m amm ari e, conti ene il 6% di t ript ofano, il 5 % di cistei na e lo 0,9% di metionina (Heine et al., 1990). È font e di aminoacidi rami ficati e ha propriet à antit umorali e anti microbi che, è us at a nel le form ulazi oni di alim enti neonat ali perché è l a proteina pi ù pres ent e nel l atte um ano ed aum enta la produ zione di serotonina nel cervello migliorando l’umore (Marella, 2009; Magarò, 2012). A pH<4 la α-lattoalbumina va incontro a denaturazione , in questa conformazione può essere att accat a e digerit a dall a pepsina a li vello dello stom aco .

La si eroalbumina (5 -10%) è una prot eina globulare di grandi dimensioni form at a da 582 amm inoacidi capace, in vi vo, di catt urare gli acidi grassi per produrre glut ati one (al to contenuto di cistei na), per quest o è una font e di ami noacidi rami fi cat i. È utili zzat a anche contro le infezi oni per l e sue propri età anti ossi danti e nell e formul azioni nut ri zi onali (Marell a, 2009; M agarò, 2012). Viene tras portata nel sangue l egat a ad aci di grassi li beri insol ubili e arriva nel lat t e pass ando att ravers o le giunzioni dei va si sanguigni presenti a livel lo del le ghi andole m amm arie.

Le immunogl obul ine (10 -15%) sono format e da IgM e IgA; sono l e proteine pi ù presenti nel col ost ro: sono gl icoprot eine format e da due cat ene leggere e da due pesant i (Marell a, 2009; Magarò, 2012).

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La l att oferri na LF (0,5%) si lega al le gli coproteine (famigl ia dell e t rans ferrine, con la capacità di l egare il ferro che se li bero pot rebbe port are alla formazione di radi cali ), è un pot ent e antimi crobi co, anti batt erico e anti nfiam matorio, è ut ili zzat a anch e nell e form ulazioni nut ri zionali . (Marel la, 2009; M agarò, 2012). L’attivit à antim icrobica dell a l attoferrina è maggiore nei confronti di quei mi croorgani smi che richi edono ferro per repli carsi (Mars hal l, 2004).

Il gli com acropept ide (GMP ) è una piccol a pro t eina con una mass a m olto ridotta; è formato da k -caseina che provi ene dal le micell e cas ei niche e si rimuove t ram ite membrane di filt razi one. Il prodotto dopo la filt razi one è di col ore chi aro, omogeneo e s enza odori (AbdEl -Sal am , 1996; M arell a, 2009; M aga rò, 2012).

Il si ero conti ene anche diverse tipologi e di enzimi ad atti vità idrolit ica, quali proteasi e lipasi, in grado di catalizzare l’idrolisi di legami chimici di proteine e lipidi, m a anche transferasi e li asi i n grado di cat ali zzare la formazione d i nuovi doppi l egami.

La l attoperossidasi LP (0,2%) è prodott a dall e cell ul e epit eli al i, è un enzim a ed una glicoprot eina con azione antimi crobica. Viene util izzat a com e st abili zzant e nello yogurt e dall’industria farmaceutica (Marella, 2009; Magarò, 2012) . È l’enzima più abbondante e catalizza la riduzione dell’H2O2 , si rinvi ene nel siero in seguit o al

process o di casei fi cazione, è m olto st abil e perché non vi ene i natti vata dai proces s i di past ori zzazi one , caratt eristi co per l a s ua funzione di “cons ervant e” .

Altri aminoacidi ramificati che troviamo in abbondanza sono la valina, l’isoleucina, e l a l euci na. In parti col are, quest’ultim a è un im port ant e fattore per l a cres cit a e la riparazione dei t es suti.

4.2.3.1 Prop ri età nu tri zi onali , fun zi onal i e biomedi ch e d ell e sierop rotein e

Le sieroproteine (SP) sono largamente utilizzate nell’industria alimentare, in forma di polvere, in bas e a lle l oro propriet à nut ri zionali e funzionali. Le propri et à nutrizi onali sono correl at e al valore bi ologi co (VB) che i ndica l a percentual e di alim ent o che vi ene assimil at a dal corpo umano, durant e l a digesti one, in rapporto a quella ingerit a con l a di eta (P. Coyot 1996). Le SP hanno un valore biologi co del 95% ci rca, e dipende dalla composi zione medi a i n aminoaci d i.

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Gli am inoacidi ess enzi ali (AE) s ono q uelli che l’ organismo non è i n grado di sint eti zzare ex novo, quindi devono ess ere assunti con l a diet a. Nell a t abell a 7 possi amo notare che al cune percentuali di AE sono pi ù el evate nel s iero ri spetto al latt e, questo è dovut o al fatt o che il dat o percent uale è st ato calcolato in bas e all e prot ei ne tot ali , che nel l att e sono quantit ativam ente superiori a quell e del si ero.

Tabella 7 . Ami noaci di ess enziali pr esent i nel latt e e nel si er o di lat te (Piz zichini ,

2006)

Aminoacidi Latte (g/L) Siero di latte (g/L)

Treonina 50,0 50 Valina 62 52 Metionina 22 17 Isoleucina 58 54 Leucina 89 114 Fenilalanina 44 34 Lisina 70 94 Istidina 24 18 Arginina 23 29 Triptofano 12 20

Le SP inoltre sono part icolarm ent e di geri bili perché non vengono coagul at e nello stom aco e cont engono ami noacidi ram ificati molt o utili per l a form azione dell a mass a muscol are. P er propri et à funzi onal i , invece, si i ntendono l e caratt eristi che chimi co -fisi che che ne consentono un grande utili zzo nell ’industri a alim ent are . Una dell e caratteris tiche più i nteress ant i ai fi ni appli cativi riguarda la loro el evat a solubilit à in acqua da pH 2 a circa 10.

Le proprietà funzionali delle SP sono utilizzate non soltanto dall’industria alim ent are, che rimane quell a pi ù import ant e, ma anche per l a produzione di line e dietetiche di alimenti, nell’industria cosmetica e d in quella farmaceutica, come riport ato nell a t abell a 8 .

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Tabella 8. Appli cazi oni cos met iche e far maceuti che dei si ero -deri vati (EN EA,2006 )

Per quant o riguarda l e propri et à biom edi che l e SP agis cono come anti ossi danti, ant i -ipert ensi vi, anti tumoral i, hanno propri et à ipolipi demi che, anti virali e antibatt eri che (Pizzi chi ni et al., 2006) . È st ato dim ost rat o che l e protei ne del si ero denaturat o, addizi onat e in pi ccole dosi di Vit ami na B1 e B2, favoris cono l’aumento di peso corporeo e di mass a magra i n pazi enti si eropositi vi, riducono i tum ori, l'i nci denza dell a polm onit e e ritardano l'i nvecchiamento (P. C oyot 1996) . Le SP hanno un indi ce glicemi co bass o e ottimi zzano l a curva i nsul in i ca, ri es cono ad abbas sare il col est erolo più del la caseina e del la soi a e, all o st ess o tempo, s e us at e nell e quantit à appropri at e, i nducono sazi et à . Una porzi one di 25 -30 g di prot eine st imol a il rilascio dell a col ecist ochini na (CCK), un ormone in grado di placare il senso di appet ito (M . Pizzichini et al., 2006)

4.2.3.2 Effetto del la temperatura sul le protein e del si ero

Le el evat e t emperature, cara tt eri sti che dei tratt am enti termi ci per il ris anam ento e per l a produzi one di prodotti in polvere (Macè t et al ., 2002), i nducono cambi am ent i nel lat te, l e m odi fi cazioni pi ù evi denti si verificano a cari co dell e si eroprotei ne .

La denaturazi one t erm ica è costituita da una modi fi cazione dell a s truttura secondari a, t erziari a e quat ernari a, non accompagnat a da una rottura dei l egami peptidi ci coinvolti nell a st ruttura prim ari a. L’impi ego del cal ore può condurre all a precipit azione dell e prot ei ne, ma ciò si verifica sol o in det erminat e condi zi oni di concent razione e di pH. (Pi zzi chini et al.,2006)

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Pert anto, il cont enuto in si eroprot ei ne rappresent a un i ndi ce si gni fi cat ivo dell a val utazi one dei tratt amenti t ermi ci sul l att e insi eme ad alt ri param etri c himi ci, fi si ci e biologi ci (fos fat asi al calina e latt operossidasi, furosina e lattulosi o) (Mont uoro, 2006)

4.2.4 I pep tidi bi oattivi nel si ero di latte

I peptidi bioattivi (PB) sono stati identificati all’interno della sequenza aminoaci dica dell e prot eine del l att e ed a s eguit o di proces si digestivi e di reazi oni idroliti che pos si amo ott enere un pool di pepti di a basso pes o m olecolare, i qual i poss ono essere s eparati e t es tat i indivi dualm ent e per l e loro propri et à bi ologiche.

I peptidi bioattivi (Tabell a 9) assiem e alle SP rappres ent ano l a frazi one più important e dei componenti del si ero e l a l oro presenza garanti s ce un increm ento nel val ore aggiunto del prodotto fi nal e.

I PB influenzano di ret tam ente num erosi processi biol ogi ci s timol ando specifi che risp ost e a livell o ormonale, comport ament al e e gast roi nt esti nal e. Le attuali conos cenze sul ruolo fis iologico e biochi mico dell'azot o nutri zional e, che si sono sviluppate nell’ultima decade, hanno mostrato che i frammenti peptidici, risultanti dall 'azi one dell e proteasi nel tratt o di gestivo, non sol o fornis cono gl i amminoacidi all’organismo, ma sono anche regolatori fisiologici sia direttamente, come neurot rasm ettit ori, che indirett am ent e, perché i ntervengono nell a s ecrezione di ormoni ed enzimi dai recett ori i nt est inali (Brody 2000; Eis enst ein 2002).

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Tabella 9. Es empi di peptidi bi oatti vi del latt e (Clar e et al . 1999 )

4.3 Con taminan ti chimici e biologi ci del si ero

Appare necess ario valut are quali poss ono essere l e possibili contam inazi oni del siero di l att e, i n quanto quest a m at ri ce vi ene utili zzat a per l a produzione di alim enti . La si curezza i gieni ca del l att e è int es a come sal ubrit à del prodotto, di cons eguenza la sua immi ssione s ul mercat o non ris ulterebbe possibil e s e foss e accert at a l a pres enza di cont am inanti in concent razioni i naccett abili dal punto di vist a tossi col ogi co.

Per contam inant e si i ntende una sostanza non aggi unt a int enzi onalment e ai prodott i alim ent ari e pres ent e in questi ulti mi sott o forma di residuo dell e fasi di produzione: fabbri cazione, preparazione, tratt ament o, t rasform azione, imball aggio, condi zionam ent o, t rasporto, i mmagazzinament o oppure a s egui to di cont ami nazi one di origi ne ambi ent al e .

Le principali fonti di contaminazione sono di ori gine biologi ca e chimi ca. I contami nanti di origi ne biol ogi ca (organismi vit ali e/o loro t os sine) appart engono a due grosse cat egori e:

22 2. Organismi superiori

La cont ami nazi one può ess ere di ti po prim ari o se i mi crorganis mi sono pres enti nell’alimento all’origine, oppure di tipo secondario se questi penetrano nell’alimento durante le fasi di processo.

I resi dui chimi ci pot enzi alm ent e ri schios i per la sal ut e invece , poss ono derivare da prati che agronomi che (pest ici di, fertili zzanti ) , ces sioni da part e di m acchinari e contenitori , inquinament o ambi ental e di origine indust ri ale e d urbano (dios sine, met alli pesanti ) .

I peri coli di natura biologica rappres ent ano un im portant e probl em a poi ché i dat i rivel ano che la Salmonella , l ’Es cher ichia coli e l a List eria monocytogenes s ono i più import ant i agenti di contaminazione. Generalm ent e quest i mi crorganis mi poss ono port ar e all ’insorgenza di tossinfezi oni alim entari che si m anifest ano i n modo acuto ed a breve distanza dall’ingestione dell’alimento contaminato , mentre le ripercussi oni sull a sal ut e dat e dai cont aminant i di natura chimica, anche a bas s i livel li di assunzi one, hanno caratt ere l at ent e e si m ani festano a dist anza di t empo con patol ogi e m olto gravi, si ntom atol ogi e vari abili e di di ffi cile i ndi viduazione.

4.3.1 Regolam enti e ISO p er l e an alisi d el siero

Per pot er considerare il si ero un sottoprodott o e quindi ut ili zzarlo com e font e di nutrienti, ol tre a non contenere sos tanze toss iche deve rispondere a requisiti di qualità det erminati a livell o l egi sl ativo , i n cui sono norm at e anche l e m et odol ogi e di ott enimento e di l avorazione.

La Gazzett a uffi ciale d el l’unione europea nel “REGOLAM ENTO (CE) N. 273/2008 DELLA COMM ISS IONE del 5 m arzo 2008 (che st abi li sce l e m odalit à di applicazione del regolam ent o (C E) n. 1255/1999 del Consigli o Europeo per quant o riguarda i metodi di analisi e la val ut azione qualit ativa del l att e e dei prodotti latti ero -cas eari )” st abilis ce linee guida per la valut azione del le analisi e il rispett o dei param et ri dei prodotti l att iero -caseari.

L’analisi del siero di latte è menzionata nell’articolo 9, in cui è spiegata la ricerca di si er o di l att e presami co. Com e cit ato nell ’art icolo: “1. Per la ri cerca di si ero di latte presamico nel latte scremato in polvere destinato all’ammasso pubblico si

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applica il metodo di riferimento descritto nell’allegato XII. 2. Per la ricerca di siero di latte pres ami co nel latt e screm at o in polvere e nelle mi scel e dest inati all’alimentazione animale si applica il metodo di riferimento descritto nell’allegato XII. Se si riscontra la presenza di siero di latte presamico si applica l’allegato XIII.”

Nell’allegato XII e XIII sono presenti i metodi analitici, compresi di descrizioni del procedim ento ed è i ndi cat a l a IS O di ri ferim ent o , l a qual e, a sua volt a conti ene metodi di campionamento del latte e prodotti derivati per l’analisi microbiologica, chimi ca, fi sica e sensori al e, escl uso il campionam ent o s emi -autom ati co.

- UNI EN IS O 707:2008

4.3.2 Metalli con effetti tossi ci n el l atte

Le analis i del si ero ci permettono di i ndividuare l ’event uale pres enza di m et alli tossi ci nel l att e che poss ono causare pat ologi e poi ché hanno un effetto di tossi cit à croni ca.

La principal e probl emati ca riguarda l a present a di piombo, che è un met all o t ossi co e gli inqui nam enti avvengono sul foraggio predis post o all a coltivazione ( De Noni , 2000).

Anche l a pres enza di alt ri met alli può portare probl em ati che, ad esem pio, il cadmio che si trova l egato al le prot eine del siero perché ha m olta affinit à con i gruppi -S H, i l m ercurio che olt re ad avere una buona affi nit à per l e protei ne riesce a l egarsi anche con i globuli di grass o e l o st agno i norgani co.

Nel si ero sono pres enti anche il ferro, il rame e il manganes e che s ono oligoel em enti indis pens abili , m a possono dare probl em i a livello t ecnol ogi co nei prodotti grass i se sono presenti in quantità mol to el evat e .

Nel R EGOLAMENTO (CE) N. 1881/2006 DELLA COMM ISS IONE del 19 di cembre 2006 (che definis ce i tenori massimi di al cuni contam inanti nei prodotti al iment ari ) sono indicati i val ori massimi consentit i dell a presenza di pi ombo. (Tabel la 10 )

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Tabella 10. Tenori mass imi di pi ombo (mg/Kg di pes o fr es co) nel latte. (Reg. (C E)

N. 1881/ 2006)

Piombo Tenori massimi (mg/Kg di peso fresco)

Latte crudo, latte trattato termicamente e latte destinato alla fabbricazione di prodotti a base

di latte

0,020

1. STRATEG IE DI GE STIONE E RE CUPERO DEL SIE RO

Grazie al progres sivo aum ento dell a consapevol ezza dei cons umat ori i n m ateri a di nutrizione, qualità e rispetto dell’ambiente, l’industria casearia ha riconosciuto l’import anza dell e componenti del si ero (Jayaprakasha e B rueckner, 1999) che contiene ci rca il 50% dei soli di tot ali del l atte, tra cui u n’el evatis sima percentuale di l attosio e i l 20% di prot eine (Smithers, 2008).

Per quest o motivo s ono state svil uppat e sv ari at e t ecnologi e di valori zzazione del siero att e a pers eguire il recupero e il ri ut ilizzo dell e sue com ponenti, abbat tendo il suo pot ere inquinant e.

Oggi è possibile considerare di fferenti opzioni di gesti one e/o smalti mento:

1. Tratt am enti biol ogi ci

2. Tecnologi e di val ori zzazione degli effluenti 3. Tratt am enti chimi co -fisi ci

In pri mo l uogo, è possi bil e effettuare d ei t rattamenti bi ologi ci che vengono largament e utili zzati per l a valorizzazione del substrat o. Al cuni es empi poss ono ess ere: l a ferm ent azi one cont roll at a, la qual e viene s fruttata per l a produzione di acido lattico, acido acetico, but anolo, gli cerolo, idrogeno, m et anolo et c.

La seconda possibilità prevede l’impiego di tecnologie che mirano alla concent razione e al recupero di alcun i componenti di pregio, quali lattosi o e prot ei ne. Oggi quest i processi di valori zzazi one sono i pi ù utilizzati, m a devono essere segui ti da un t rat tam ento per l o sm altim ent o degli effluenti rest anti.

La t erza scelt a ri c orre al l’utili zzo di t rat tam enti chi mico– fisi ci (floccul azione, precipit azione et c.) che pos sono essere combinati ai precedenti .

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Il t ratt am ento ot timal e da adot tare dipende principalm ent e dall e carat terist iche dell a mat rice, dall a quanti tà dei com ponenti , dall e t ecnol ogi e a dis posi zione e dai limit i imposti per l egge . Inolt re, alle tecnologie di valori zzazione sono associ ati cost i piuttosto el evati, che non s ono toll erabili per l e pi ccol e e medi e impres e (P razeres, et al., 2012).

5.1 Processi tradi zi onali di trattamen to del si ero

I processi di t rat tam ent o del si ero, defi niti t radizionali , im pi egano princi palm ent e tecnol ogi e di preci pit azione, compless azi one e filt razi one a m embrana. Sono defi nit i tradi zionali perché , g razi e al l’evoluzione t ecnol ogi ca , al cune di quest e prati che non sono ri sult at e funzi onal i e poco convenient i a li vel lo economi co.

I process i di preci pit azione si basano sull a form azione di com ples si proteici , i n cas o di una fort e acidi fi cazione, oppure di com plessi com posti da S P e poli e l ett roliti (sali di ferro, t annini , chios ano) , invece, quelli di compl ess azione permet tono di recuperare SP non denaturate , m a con il rischi o di cont ami nazione del prodotto da part e di m etal li pes anti.

Le prati che più impi egat e a l ivello indust rial e s ono quell e di concent razi one t ermi ca del siero seguita dall’essicamento, spesso con spray drying (Nielsen) al fine di ottenere una pol vere ut ili zzat a nel sett ore zoot ecni co. Questa t ecni ca im pi ega tecnol ogi e t radi zionali e genera un prodot to di bas so val ore co mmerci al e, poi ché l a polvere è ri cca di l at tosio e povera di SP, oltre al fatto che s pesso vengono superat e le t emperature di denaturazi one dell e SP , causando degradazioni.

Tra i processi t radi zi onali per il si ero t roviamo anche dell e t ecniche di adsorbim e nt o sel etti vo delle SP con res ine a scam bio i oni co, che risultano com plicat e perché le SP devono es sere ri moss e dal support o tramit e una di lui zione del prodott o, che port erà ad un succes sivo es siccam ent o.

Un alt ro m etodo per separare l a SP dal siero di l at t e consist e nell a precipit azione sel etti va in funzione del pH e dell a forza i oni ca, giocando s ul punto isoelet tri co dell e di verse famigli e si eroprot ei che, m a con i l ri schio di ott enere una sol uzi one impoverit a di SP ed un precipit ato molt o diluito.

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La t ecnica di elettrodi alisi è applicat a al si ero di l att e all o s copo di ri durre i l contenuto in ceneri del prodotto finito i n po l vere. È una t ecni ca che rimuove l a maggior parte dei s ali minerali , uti lizzando m embrane a s cambio i oni co che sono locali zzat e fra un campo el ett ri co (B at chelder 1986). La pri ncipal e probl em ati ca è che, da sola, questa t ecni ca non risol ve il problema dell ’inquinam ento ambi ent al e.

Molti di quest i processi , i n realt à, non risolvono t al e problemat ica , poiché l’evaporato del siero, ad esempio, ha un COD ancora elevato e dovrebbe essere ulteriorm ent e depurat o per ris pettare l e norm ative, andando ad aum ent are not evolm ente i cos ti di processo.

Anche l’utilizzo del processo anaerobico come tecnologia per la lavora zione del siero, non p uò es sere defi nita i nnovat iva , anche se ancora m olto utili zzat a. Quest a tecnica consiste nella fermentazione del siero in assenza di ossigeno all’interno di parti col ari ferm ent atori (UASB - upfl ow anaerobi c sludge blanket ). Si bas a princi pal mente s ull a tras form azione di l attosio con generazione di met ano, con un massi mo di produzi one di 23 L di m etano per 1 L di si ero (T.H. Erguder 2001). Quest a procedura ri chi ede costi im pi ant istici e di gest ione piuttosto elevati ed utili zzare il siero per produrre il biogas , può non appari re l a s oluzi one ottim ale per il recupero della m at rice, dato che vi ene prodott o da m olt e alt re fonti .

5.2 T rattamen ti b iologi ci

Grazie ai num erosi trat tam enti biol ogi ci che si pos sono fare ut ilizzando com e mat eri a prim a il si ero, il lat tosi o, l e prot ei ne e la m at eri a organi ca riescono a d ess ere recuperati. L’efficienza dei processi di recupero viene monitorata valutando la riduzi one del l a ri chi esta biochim ica di ossigeno (BOD) e l a riduzi one dell a dom anda chimi ca di ossigeno (C OD). In l ett erat ura i prim i st udi che pos siamo t rovare s i basano sull’applicazione dei processi di digestione aerobica, caratterizzata da una degradazione dell a ma t eri a organi ca vel oce a t em perature di 22 – 24 °C, tutt avi a i sistemi aerobi ci hanno m ost rat o una bassa riduzi one degli i nquinanti, senza al cuna val ori zzazi one dei prodotti ott enuti dal t ratt am ento.

Al contrario i t ratt amenti anaerobi ci ri escono a ri durre il contenuto di inquinant i nell e acque reflue, ri sult ando mol to più effi caci per l a val orizzazi one.

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Digesti one anaerobi ca

La degradazi one biol ogi ca dell a s ost anza organi ca in condi zione di anaerobi osi, cioè in ass enza di os sigeno , det ermina l a form azione di diversi prodotti, i più abbondanti sono due gas: il m etano ed il biossido di carboni o. Questo process o coinvolge divers i gruppi mi crobi ci che int eragis cono t ra di l oro: i batt eri idrolit ici , i batt eri acidi ficanti (acetogeni ed omoacetogeni) ed i batt eri met ani geni. Tal i batt eri occupano quindi l a posizione final e del la catena trofica anaerobica.

Ess a port a al la biodegradazione delle prot ei ne con form azione di poli peptidi , aminoaci di e am moniaca . Il metano prodotto essendo poco solubil e i n acqua, pass a in fas e gassosa, m ent re l a CO2 si ripartis ce t ra l a fase gass os a e l a fas e liquida.

L’attività biologica anaerobica avviene in un ampio intervallo di temperatura: tra – 5 e +70 °C. Esist ono, tut tavi a, different i specie di mi crorgani smi cl assi fi cabili i n base all’intervallo ottimale di crescita: psicrofili (temperature ottimali di crescita inferiori a 20 °C ), m esofili (t em perature ottim ali di cres cit a compres e tra i 20 e 40 °C ) e termofili (t em perat ure ottim ali di cres cit a s uperi ori ai 45°C ).

Idr olisi chimi ca o enzimat ica del lattosio

L’idrolisi del lattosio può essere effettuata in modo chimico o enzimatico. La via enzimatica risulta la migliore per l’idrolisi del lattosio; essa è promossa da enzimi che s cindono il l att osio in glucosio e gal attosio (Prazeres et al., 2012). L’i drolisi chimi ca invece , present a di versi svant aggi a causa dell e elevat e t emperat ure (>150°C) e del le condi zioni acide all e quali avvi ene (pH <1.5) , può ess erci un a denat urazione del le prot ei ne, può ess ere necess ari a una fas e di demineral izzazion e o la form azione di col orazioni e prodot ti indesi derati a causa del la reazi one di Maill ard.

Fer mentazione del si ero di latt e

La ferm ent azione al colica del siero di l att e è una prati ca largament e utili zzata , anche se non m olto economica, sopratt utto perché perm ett e l a sim ultanea riduzione del carico inquinante della matrice e la conversione del lattosio in etanolo. L’etanolo prodotto a partire dal siero può essere usato nell’industria alimentare, chimica,

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farm aceuti ca e cosmetica, o anche com e fonte energeti ca al ternativa (Prazeres et al., 2012). Quest a fermentazione però, può essere sostenut a s olo da mi crorgani smi in grado di uti lizzare il lat tosi o oppure, in assenza di questi , una pos sibil e al ternati va potrebbe esse re un’i drol isi enzim ati ca del l attosio s eguit a da un secondo st ep di ferm ent azione al coli ca.

Altre opzi oni economicam ent e int eres sant i pot rebbero essere i processi di ferm ent azione anaerobi ca con produzione di idrogeno. L’i drogeno costi tuis ce una forma di energi a pul ita che non cont ri bui sce all a formazione di gas s erra e piogge acide (Prazeres et al ., 2012). Generalm ente le l avorazioni avvengono in condi zioni mesofil e (pH del mezzo ci rca 5), l e rese riscontrat e sono com pres e t ra 2 -2.8 m ol H2/mol lattosi o. Con questa t ecni ca l a degradazi one del C OD è piuttosto elevat a (89

-90%) e la degradazione degli zuccheri corrisponde circa all’86 -97%. La concentrazione di COD nell’effluente finale varia tra 0,12 e 28 kg m- 3 _{in funzion e}

del ferm ent atore uti lizzato. Anche s e si ha un’alta degradazione del subst rato, l’effluente non può essere scaricato direttamente, ma necessita di un post -trattamento poiché oltre all’idrogeno si ha la produzione di acidi grassi volatili, tra cui , princi pal mente acido aceti co e buti rri co in concent razi oni piutt osto elevat e (Prazeres, et al., 2012) . La ferm ent azi one anaerobi ca è promoss a da ceppi di microrganism i anaerobi obbligati com e ad esempio i Cl ostri di, m a grazie a ferm ent azioni che coinvol gono Latt obaci l li e St rept ococchi possiam o usufruire del siero come subst rato per la produzione di acido l atti co, che è largament e ut ili zzato nell’industria come conservante e acidificante.

5.2.1 Es trazion e d ei pep tidi bi oatti vi dal si ero

Nei capit oli precedenti abbi amo anali zzato l e propri et à bi omedi che dei peptidi bioattivi , per quest e ragioni la l oro valori zzazione ris ult a es sere m olto i nteress ant e. Essi possono es sere ricavati di ret tam ente dal l att e oppure dal siero, che es sendo un sottoprodott o ha dei cost i mol to i nferiori.

Nel siero sono sem pre presenti CMP (caseinom acropepti di ) che hanno un pes o molecol are m edi o i ntorno a 6 kDa, e sono parzial ment e present i in t racce anche peptidi derivant i dal la idroli si dell e SP, cioè i GMP (gli com acropeptidi) , inol tre,

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quando si applica il processo di UF, si può procedere all’idrolisi specifica delle SP (Pizzi chi ni et a., 2006).

Il processo ottim al e per aum ent are sensi bilment e la concentrazione dei PB risult a quindi, quello di idrolizzare il concentrato risultante dell’ ultrafiltrazione, in modo da trasform are t utt e l e si eroprotei ne in molecol e i drolizzat e.

5.2.2 Id rol isi en zimati ca d el lattosio

Questo procedimento si basa sull’utilizzazione di un enzima specifico (β -gal attosidasi ) per l’i drol isi enzim ati ca del latt osio, che perm ette l a t rasform azione del dis accaride, in gl ucosio e gal attosio, grazie alla s cis sione del l egame 1,4 beta -glicosidi co t ra gli is omeri D dei due monosaccari di.

L’ottenimento di questi due monosaccaridi è indispensabile a livello industriale in quanto sono facil mente di geri bili, i pocal ori ci, con not evoli propri et à dol ci fi canti e perm ettono l a loro utili zzazione per l a generazi one di alim enti per persone che soffrono di intolleranza al lat tosi o (causata dall ’ass enza dell ’enzim a β – gal attosidasi ) .

La reazione di i droli si deve avveni re ad una t emperat ura com pres a fra 40 e 45 °C alla quale l’enzima rimane stabile per oltre 8 ore. In queste condizioni ad un pH di 6,5, si ot tiene una resa idroliti ca compres a fra il 60 -90% in un tempo di reazione di circa 2 -3 ore. Il dosaggio ottim al e dell’enzim a, per avere il m assim o di res a idroliti ca, vi ene val utat o i ntorno all e 3 -5000 LAU/lit ro di si ero (Pi zzichini et al ., 2006).

In cui LAU (Unità Attivit à Latt asi ca) è definit a c om e l a quantit à di enzim a che produce una microm ole di glucos io al mi nuto.

Alcune prove speri ment ali hanno dim ostrato che determi nati enzimi , i n modali tà bat ch, s ul concent rat o di NF ha nno fornit o una res a i droliti ca del 90% .

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5.3 T rattamen ti chi mici

I t ratt am enti chimi ci appli cabili al siero di latte s ono principalm ent e l a precipit azione isoel ettri ca e t erm ica del l e prot ei ne con la succes siva s eparazi one att raverso m embrana , l a s al atura e l a sal atura i n t ecni ca.

La precipit azione delle protei ne possi am o raggiungerl a andando ad aumentare l e temperature oppure, a t emperat ure e pH bas si, dobbiam o ut ilizzare il cal cio per fargl i raggiungere il punto is oel ett ri co.

Altri t ratt amenti util i zzati s ono l a salat ura e l a salat ura in t ecni ca, in questi processi chimi ci sono im pi egati sal i, i nfatti , s ono sfrutt at e l e s trutture dell e prot eine poi ché contengono aminoacidi idrofilici, che attraggono l’acqua sulla loro superficie provoca ndo un’int erazione , rendendo l e prot ei ne sol ubili i n acqua. (M a rell a, 2009).

Quest e operazioni unitari e s ono in grado di concent rare, frazionare e converti re l e com ponenti del si ero in alt ri costit uenti ad alto valore biologi co (Donnelly W. J. e Mehra R. K., 1993)

Concentraz ione i soel ettri ca

Sfrutt ando i diversi punti is oelet tri ci ( pI) delle protei ne i n miscel a si ri es cono a separare per precipitazione l e prot eine di i nteress e (Marella, 2009). Il punto isoelet tri co di una protei na si raggiunge al valore di pH i n cui la sua carica nett a è ugual e a zero e nell e dat e condizi oni , l a repulsi one idrost ati ca fra l e prot eine è null a e perci ò t endono ad aggregarsi e preci pit are. Ques ta tecnica ci perm ett e di s eparare un gruppo di prot eine s peci fi che da una miscel a m ultiprot ei ca.

Preci pitaz ione con t emperatura

Combinando l e temperat ure ed il pH di un tratt am ent o pos sono es sere s eparat e l e prot ei ne cont enute i n una mi scel a, al la base di t al e m etodo si cons idera che l a stabilit à t ermi ca dell e protei ne del si ero è legat a al le condizi oni di aci dit à del l att e (M arell a, 2009). Spes so per raggi ungere i pH desiderat i vengono utili zzati aci do cloridri co o cit ri co.

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Salat ura e sal atur a i n t ecnica

Nel proces so di sal atura i s ali pi ù comunement e utili zzat i sono i l sol fato di ammonio, il cloruro di sodio e il cl oruro di pot as sio (M arell a, 2009). Il loro utili zzo permette una disidratazione delle proteine poiché l’acqua presente si lega ad un sale e viene superato il li mite criti co dell a concent razi one s ali na dell a s oluzione.

Nel la prim a fas e di quest o procedimento l a concentrazione s ali na non deve s uperare la concentrazione cri tica affi nché avvenga la precipit azione, s ucces sivam ent e grazi e ad una centrifugazione pot ranno es sere rim oss e l e prot ei ne precipitate precedentemente. Nell a s econda fase l a concent razi one del s al e deve ess ere superi ore a quell a neces sari a per l a precipitazi one prot ei ca i n modo che vengano las ci ate in sol uzione es clus iv ament e quel l e più s olubili.

La princi pale probl emati ca di ques to process o ri guarda s ia l a frazi one liquida che l a frazione protei ca final e, l e quali , cont erranno una grande concent razione di s al e e lo st adi o di puri fi cazione s arà molt o cost oso (Marell a, 2009)

Un altro tipo di salatura viene definita “salatura in tecnica” e si basa sull’aumento dell a solubilit à dell e protei ne con cons eguente diminuzione dell ’int erazione tra di ess e. Ciò avvi ene grazie all’aggiunta di ioni di sali neut ri (s olfato di am moni o o cloruro di sodi o) i quali , si l egano ai gruppi ioni ci dell e prot ei ne caus ando un aum ent o dell a solubilit à. Di cons eguenza rim angono in so luzione le frazioni prot ei che indesi derat e, mentre quell e desi derate precipitano (Marel la, 2009).

Frazi onamento con s olvent e

Sfrutt ando l a cost ante di el ett ri ca del la soluzione, che può ess ere m odi fi cat a aggiungendo solventi organi ci idrosol ubili, pos siamo alt erare le int erazioni el ettrost ati che t ra l e protei ne favorendone l a precipit azione. Più la cost ant e diel ett ri ca è bassa pi ù aum entano le i nterazi oni elett rost atiche fra l e m ol ecol e prot ei che; ciò provoca un calo dell a repulsione el ett rost at ica che det ermina l a precipit azione del le protei ne (Marell a, 2009). Ogni frazi one prot ei ca ri chi ede diversi ti pi di sol vente per precipit a re i n base al suo pI , la quant ità ot tim ale di solvent e organi co varia dal 5 -60% (Marel la, 2009)