PEMISAHAN LAKTOSA DARI SUSU DENGAN ULTRAFILTRASI

Abstrak

Susu dan produk susu dianggap menjadi makanan nutrisi penting karena merupakan sumber protein yang baik, vitamin dan kalsium. Namun, kebanyakan orang telah menderita dari masalah pencernaan seperti kembung, mual, dan diare setelah minum susu dan produk-produk susu seperti yang disebut intoleransi laktosa. Hal ini disebabkan ketidakmampuan untuk mencerna laktosa yang merupakan gula utama yang ditemukan dalam susu. Dengan demikian diinginkan untuk menghapus laktosa dari susu untuk mengakomodasi orang-orang menderita intoleransi laktosa dan untuk meningkatkan stabilitas penyimpanan dan fungsionalitas. Ultrafiltrasi (UF) adalah suatu proses yang menarik untuk mengurangi laktosa dari produk susu karena memiliki MWCO di kisaran 1,000-500,000 Dalton. Oleh karena itu, laktosa dapat mudah melewati membran sementara mempertahankan semua protein dalam retentate tersebut. Bahkan meskipun mineral lain seperti kalsium juga dapat melewati membran, mereka dapat diperoleh kembali dengan pemanasan dan menyesuaikan pH permeat. Laktosa yang dipisahkan dapat digunakan untuk produksi makanan fungsional seperti galacto-oligosakarida yang dapat ditambah ke dalam produk rendah laktosa atau produk susu lainnya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengevaluasi kelayakan menghilangkan laktosa dari susu dengan UF dan untuk menentukan dampak dari tekanan transmembran dan laju aliran umpan pada fluks permeat dan penolakan protein dan laktosa. membran UF dengan MWCO dari 5.000 Dalton dipilih untuk pemisahan laktosa. Efek dari tekanan transmembran dan laju aliran umpan pada penolakan laktosa dan protein, evaluasi hasil recovery laktosa fluks permeat. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai penolakan masing-masing laktosa dan protein adalah sekitar 13% dan 100%. Nilai rejeksi  dari laktosa dari susu terpenuhi. Oleh karena itu, susu rendah laktosa dan produk susu dapat diperoleh dengan teknik ini.

Pendahuluan

Susu dan produk susu dianggap menjadi makanan nutrisi penting karena merupakan sumber protein yang baik, vitamin dan kalsium. Namun, banyak orang menderita intoleransi laktosa sehingga membuat mereka tidak mampu untuk mengkonsumsi susu dan produk berbasis susu. Hal ini karena ketidakmampuan untuk mencerna laktosa yang merupakan gula utama yang ditemukan dalam susu. Masalah pencernaan dari laktosa dapat menyebabkan penyakit seperti kembung, mual, dan diare. Oleh karena itu, diinginkan untuk menghilangkan laktosa dari susu untuk meminimalkan pencernaan laktosa. Umumnya ada beberapa teknologi untuk menghilangkan laktosa dari susu. Laktosa dapat dihidrolisa menjadi glukosa dan galaktosa. Bagaimanapun metode ini memiliki beberapa kelemahan dalam hal sifat manisnya. Telah dilaporkan bahwa kemanisan meningkat hingga 70% terkait dengan sukrosa. Hal ini dapat menjadi keuntungan atau kerugian tergantung pada tujuan produk. Menghilangkan laktosa juga dapat meningkatkan kelarutan, stabilitas penyimpanan, dan fungsi. Pendekatan lain untuk pemisahan laktosa yaitu dengan kristalisasi.

Baru-baru ini, teknologi membran lebih menarik dilakukan karena proses penghematan energi. Teknik pemisahan membran merupakan teknik sederhana dalam operasi dan sesuai dengan peralatan dan teknologi yang ada. Efisiensi dan ekonomis suatu proses membran tergantung pada fluks permeat, penyumbatan pori dan penolakan zat terlarut. Sifat membran (tipe dan ukuran pori-pori), sistem konfigurasi (tubular, plat, serat berongga), kondisi proses hidrodinamika (kecepatan tekanan transmembran, crossflow & suhu) dan karakteristik fisiko-kimia dari umpan (PH, komposisi dan konsentrasi) yang paling penting faktor-faktor yang menentukan pola fluks, perilaku penyumbatan dan larutan konsentrasi dalam retentat dan permeat.

Saat ini, proses pemisahan membran pada umumnya dan ultrafiltrasi (UF) secara khusus telah menjadi lebih efektif, dalam solusi pemisahan molekul. Alasan utama bagi munculnya UF sebagai proses industri adalah terobosan dalam manipulasi polimer melalui pencampuran dari polimer. Membran ultrafiltrasi (UF) dapat menghilangkan berat molekul di kisaran 1,000-500,000 Dalton. Oleh karena itu, laktosa dapat mudah melewati membran sementara dapat mempertahankan semua lemak dan protein susu di retentat tersebut. Bahkan meskipun mineral gizi lain seperti kalsium juga dapat melewati membran, mereka dapat diperoleh kembali dengan memanaskan dan menyesuaikan pH permeat. Laktosa yang dipisahkan dapat digunakan untuk produksi makanan fungsional seperti galacto-oligosakarida yang dapat dilengkapi kembali ke dalam produk rendah laktosa atau produk susu lainnya. Retentat susu dari ultrafiltrasi dianggap susu terkonsentrasi yang cocok untuk produksi keju dan yoghurt. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menentukan efek dari parameter proses (tekanan transmembran dan laju alir umpan) pada fluks permeat dan penolakan protein dan laktosa.

Bahan dan Metode

Susu UHT Komersial rendah lemak di dengan  merek "Foremost" digunakan sebagai bahan baku di semua percobaan. Parameter berikut yang diukur adalah: protein (kit Bradford Assay Biorad), laktosa (HPLC) dan fluks permeat.

Sistem filtrasi

Sebuah unit cross-flow serat berongga (sistem Quixstand-Benchtop, GE Healthcare Bioscience, USA) digunakan untuk percobaan ultrafiltrasi skala laboratorium. Sebuah cartridge komersial membran serat berlubang dari Amersham (GE Healthcare Bio-ilmu pengetahuan, USA) dengan berat molekul 5.000 Dalton digunakan dalam penelitian ini. Luas permukaan membran yang efektif adalah 650 cm². Pure water flux (PWF) diukur sebelum dijalankan, dalam rangka untuk menguji apakah membran itu rusak. Rentang fluktuasi dapat diterima untuk sebuah membran rusak berada dalam ±20%. Permeat dan retentat dikumpulkan untuk mengukur konsentrasi laktosa dengan HPLC.

Setiap setelah dijalankan, membran dibilas dan dibersihkan di tempat semula dengan air suling diikuti dengan 0,1 N NaOH selama 30 menit, kemudian  dikeringkan dan sistem cartridge dibilas dengan suling air sampai pH netral. PWF setelah dibersihkan juga diukur untuk menentukan apakah membran itu tersumbat atau kotor.

Efek dari tekanan transmembran

Efek dari tekanan transmembran pada fluks permeat, rejeksi laktosa dan protein dievaluasi untuk menentukan kisaran tekanan yang sesuai untuk pemisahan efektif laktosa dari susu. Laju alir umpan dijaga konstan pada 0,64 L/min. susu Komersial rendah lemak diuji pada 2,5 psig, 3,5 psig, 4 psig, 4,5 psig dan 5,5 psig.

Pengaruh laju alir

Efek dari laju alir umpan pada ultrafiltrasi dipelajari dengan memvariasikan laju alir umpan pada 0,94 L/min, 1,24 L/min, 1,45 L/min dan 1,72 L/min.

Penentuan konsentrasi laktosa dengan HPLC

Konsentrasi laktosa dalam larutan sampel ditentukan dengan HPLC. Sebuah kolom analisis karbohidrat (Phenomenex, Rezek RNM kolom Karbohidrat, 7,8 x 300 mm) digunakan dalam sistem HPLC (Waters, USA), yang terdiri dari detektor indeks bias (Waters Model 410), pompa (M510), oven kolom dan sistem untuk analisis data (Chromatopac CR-5A). eluen yang digunakan adalah pra-degassed air suling pada 80 ⁰C dan laju alir umpan 0,4 mL/min.

Konsentrasi laktosa dan protein di kedua permeat dan retentat diukur dalam rangka menganalisis data dalam hal fluks permeat (J), penolakan (R_i) Dan % recovery (R) menggunakan persamaan berikut :

dimana V_p adalah volume permeat, A adalah luas efektif membran dan t adalah waktu.

Penolakan laktosa dan protein dihitung dari persamaan berikut

di mana C_r dan C_f  yang retentat dan konsentrasi umpan, masing-masing. Persamaan untuk faktor volume konsentrasi (VCF) diberikan oleh

dimana Vf dan Vr masing-masing adalah umpan dan volume retentate.

% Recovery laktosa dalam permeat dihitung dari fraksi laktosa dalam permeat pulih dari umpan asli.

di mana Cp dan Vp masing-masing yang menembus konsentrasi dan menyerap volume.

Hasil dan Diskusi

Efek dari tekanan transmembran

Tekanan adalah kekuatan pendorong utama dalam proses pemisahan membran. Efek dari tekanan transmembran pada fluks permeat dan penolakan dari laktosa dan protein dengan demikian dapat dipelajari. Gambar 1 menyajikan fluks permeat pada tekanan transmembran yang berbeda sedangkan laju alir umpan dipertahankan konstan pada 0,64 L/min. Secara umum, ada korelasi linier antara perbedaan tekanan transmembran dan fluks permeat sampai dengan 4,5 psig. Selain 4,5 psig, tidak ada peningkatan yang signifikan dalam fluks permeat, menunjukkan bahwa mencapai batas fluks. Pengaruh tekanan transmembran pada % recovery laktosa ditunjukkan dalam Gambar 2. Seperti dapat dilihat, % recovery laktosa memiliki korelasi yang sama dengan fluks permeat. Pada tekanan melampaui 4,5 psig, %recovery laktosa menurun menunjukkan masalah polarisasi konsentrasi terjadi pada permukaan membran. Tabel 1 menunjukkan efek dari tekanan transmembran pada penolakan laktosa dan protein. Tidak ada protein yang hilang dalam permeat. Oleh karena itu, tekanan transmembran dari 4,5 psig dipilih untuk menjadi tekanan operasi untuk aplikasi ini karena memberikan fluks permeat tinggi tanpa mencapai batas wilayah fluks. Jumlah laktosa dalam permeat juga cukup tinggi pada tekanan transmembran.

Gambar 1. Pengaruh tekanan transmembran pada fluks permeat dengan laju alir umpan konstan pada 0,64 L/min.

Hasilnya menunjukkan bahwa permeat fluks dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tekanan transmembran atau mengurangi kecepatan aliran dan konsentrasi larutan selama proses ultrafiltrasi dari skim susu. Pengamatan ini menunjukkan bahwa ultrafiltrasi kinerja dikendalikan oleh hidrodinamik dan faktor fisiko- kimia.

Gambar 2.% Recovery di menyerap laktosa pada tekanan transmembran yang berbeda.

Tabel 1. Efek dari tekanan transmembran terhadap laktosa dan penolakan protein.

Pengaruh laju alir umpan

Laju alir umpan adalah parameter lain yang mempengaruhi kinerja membran. Tingkat kejelekan membran tergantung pada laju aliran, sehingga membuat sulit untuk kompromi antara penolakan membran dan kapasitas membran. Efek dari Laju alir umpan pada fluks permeat dan penolakan protein dan laktosa dengan demikian dipelajari. Gambar 3 mewakili fluks permeat pada laju alir umpan yang berbeda. Tekanan transmembran, bagaimanapun, tidak dapat tetap konstan karena tekanan transmembran meningkat dengan meningkatnya laju alir umpan. Sebagai akibatnya, fluks permeat dalam percobaan ini juga dipengaruhi oleh baiknya tekanan transmembran dan laju alir umpan.

Seperti dapat dilihat dari Gambar 3, fluks permeat meningkat dengan meningkatnya laju alir umpan. Laju aliran yang tinggi dapat mengurangi pengendapan yang dapat mempengaruhi fluks permeat, sehingga menghasilkan fluks permeat yang lebih tinggi. Oleh karena itu, efek konsentrasi polarisasi bisa diminimalkan dengan beroperasi pada laju alir umpan yang tinggi.

Gambar 3. Pengaruh laju umpan aliran pada fluks permeat.

% Recovery Laktosa di permeat juga dilaporkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. tinggi Recovery laktosa diperoleh pada alir umpan laju 1,72 L/min.

Gambar 4. % recovery  laktosa di permeat laktosa pada laju alir umpan yang berbeda.

Tabel 2 menyajikan penolakan laktosa dan protein pada tingkat alir umpan yang berbeda. Tidak ada protein susu yang hilang secara signifikan dalam permeat. Oleh karena itu, laju alir umpan 1,72 L/min dianggap sebagai laju alir yang direkomendasikan karena memberikan tingginya fluks permeat dan tingginya recovery laktosa.

Tabel 2. Pengaruh laju alir umpan pada laktosa dan penolakan protein.

Kesimpulan

Baik tekanan transmembran dan laju alir umpan mempengaruhi fluks permeat, penolakan laktosa dan % recovery laktosa. Tinggi kadar penghapusan laktosa dari susu dapat dicapai dengan UF dengan minimal atau tidak hilangnya protein dalam permeat. Oleh karena itu, susu rendah laktosa dan produk susu dapat diperoleh dengan teknik ini dan laktosa yang dipisahkan dapat digunakan sebagai substrat untuk produksi pangan.

DAFTAR PUSTAKA

Bayoumi, H. M., Mohamed, A. G., El-Sheikh,  M. M., Farrag, A. F. and Eissa, H. A. 2011. Effect of Ultrafiltration Permeate on the Quality of Chocolate Milk. Journal of American Science, 7 (7).

Limsawat, P. and Pruksasri, S. 2010. Separation of Lactose from Milk by Ultrafiltration. As. J. Food Ag-Ind. 3(02), 236-243

Razavi. and Ali, S. M. 2007.  The Study of Dynamic Milk Ultrafiltration Performance

Influenced by Membrane Molecular Weight Cut off. Iran. J. Chem. Chem. Eng. Vol. 26, No.1.