Von Milch zu Proteinpulver: Wie funktioniert die Herstellung von Whey Protein?

Es gilt als das beliebteste und beste Proteinpulver für Sportler. Es ist vergleichsweise schnell absorbiert, weist einen hohen Gehalt essenzieller Aminosäuren auf und hat in zahlreichen Studien gezeigt, dass es die Muskelproteinsynthese maximal stimulieren kann. Zudem ist es im Vergleich zu anderen Proteinpulvern leicht schmackhaft zu machen. Die Rede ist von Whey Protein oder auch Molkenprotein genannt. Während die meisten Konsumenten um seine Vorteile wissen, kennen die wenigsten von ihnen den Ablauf der Herstellung von Whey Protein. Das möchten wir heute ändern.

Warum ist Whey Protein so beliebt?

So gut wie jeder Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln für Sportler hat ein Proteinpulver im Sortiment. Dabei ist Whey Protein beziehungsweise Molkenprotein, wie es in deutscher Sprache heißt, wohl der mit Abstand beliebteste Vertreter. Der wichtigste Grund dafür ist seine Verfügbarkeit, auf die wir später genauer eingehen werden. Genau genommen ist die Molke nämlich ein Nebenprodukt der Käseherstellung. Laut der nationalen Verzehrstudie II aus dem Jahre 2008 isst der deutsche Mann im Schnitt 43 Gramm und die deutsche Frau 41 Gramm Käse pro Tag [1].

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Umgerechnet auf 83 Millionen Einwohner ergibt sich daraus ein Verbrauch von insgesamt knapp 3.500 Tonnen Käse an nur einem Tag. Zwar bestehen die Proteinfraktionen in der Milch nur zu rund 20 Prozent aus Molkenprotein, doch kann man sich denken, dass in diesem Prozess eine Menge Rohmaterial anfällt, um daraus Whey Protein zu gewinnen. Da es ein Nebenprodukt der Käseherstellung darstellt, wurde in der Vergangenheit behauptet, Whey Protein sei ein minderwertiges Abfallprodukt. Besonders Veganer kamen zu dieser Aussage. Allerdings könnte sie kaum falscher sein.

Der zweite Grund für die Beliebtheit von Whey Protein ist nämlich seine hohe Qualität im Vergleich zu anderen Proteinen. Es zeichnet sich durch seinen vergleichsweise hohen Gehalt an essenziellen Aminosäuren aus. In einer aktuellen Studie erreichte es mit durchschnittlich 43 Prozent vom Gesamtprotein im Vergleich zu 16 weiteren Proteinquellen sowie menschlicher Skelettmuskulatur den höchsten Anteil [2]. Bei der Interpretation dieser Daten ist zu beachten, dass die Analyse die essenzielle Aminosäure Tryptophan nicht berücksichtigte, da sie über ein separates Verfahren bestimmt werden muss.

Vor allem die Aminosäure Leucin ist in Whey Protein besonders stark vertreten. Sie gilt als Trigger des mTOR-Signalweges, der maßgeblich an der Muskelproteinsynthese (MPS), also dem Aufbau von Muskelmasse, beteiligt ist [3]. Auf Basis der aktuellen Studienlage scheint es, als stelle eine Menge von etwa drei Gramm Leucin innerhalb eines vollständigen Nahrungsproteins, sprich in Kombination mit allen anderen 19 proteinogenen Aminosäuren, die minimale Dosis dar, die zur maximalen Steigerung der MPS führt [4]. Diese Menge wird bereits mit 23 bis 24 Gramm reinem Eiweiß aus Whey Protein erreicht, wohingegen man bei anderen Quellen einen deutlich größere Proteinmenge braucht, um diesen Schwellenwert zu erreichen [5].

Weiterhin ist Whey Protein ein vergleichsweise „schnelles Protein“. Das bedeutet, dass es im Vergleich zu anderen Proteinen aus Nahrung oder Nahrungsergänzungsmitteln vergleichsweise rasch verdaut wird und seine Aminosäuren in das Blut aufgenommen werden. Das Eiweiß in der Milch von Kühen besteht wie angesprochen zu rund 80 Prozent aus den Casein-Fraktionen, wohingegen die restlichen 20 Prozent auf die Molke entfallen. Im Vergleich zum Casein ist Molkenprotein deutlich schneller verdaulich, weshalb die Aminosäuren früher ins Blut aufgenommen werden und den Zellen zur Verfügung stehen [6].

Das letzte und für viele wichtigste Argument für den Einsatz von Whey Protein besteht in seinen sensorischen Aspekten. Auch wenn Geschmäcker sicherlich verschieden sind, schmecken Proteinshakes den meisten Menschen relativ gut. Ausgeklügelte Aromen und Süßungsmittel sorgen für einen angenehmen sensorischen Eindruck. Außerdem enthalten sie außer reinem Eiweiß kaum weitere Nährstoffe, wodurch sich trotz proteinreicher Ernährung Kalorien sparen lassen. Whey Protein bietet in dem Zusammenhang einige besondere Vorzüge. Im Vergleich zu anderen Rohstoffen ist das Eiweißkonzentrat aus der Molke sehr gut löslich und bietet kaum Nebengeschmäcker, die den Geschmackseindruck stören würden. Pflanzliche Proteinpulver, Eiprotein oder Casein weisen dagegen oft einen gewissen Eigengeschmack oder eine weniger angenehme Konsistenz auf. Bei Molkenprotein ist das nicht der Fall.

Wie funktioniert die Herstellung von Whey Protein?

Whey Protein stammt aus der Milch von Kühen und ist ein Nebenprodukt der Käseherstellung. Wenn wir ganz am Anfang der Kette beginnen, so ist der erste Schritt, die Kuh zu melken. Die frische Milch, wie sie direkt aus dem Euter kommt, kann je nach Rasse, Fütterung, Alter der Kuh und anderen Faktoren leicht unterschiedliche Nährwerte aufweisen. Im Durchschnitt enthält sie rund 3,5 Prozent Eiweiß, vier Prozent Fett und 4,6 Prozent Laktose. Die frische Milch wird dann noch vor Ort auf etwa vier Grad Celsius heruntergekühlt und anschließend zur Molkerei transportiert.

Dort angekommen kann die Milch zu zahlreichen Produkten wie Trinkmilch, Joghurt, Quark oder Käse weiterverarbeitet werden. Für all diese Produkte ist es zunächst notwendig, die Milch zu pasteurisieren oder zu sterilisieren, um Keime abzutöten und sie haltbar zu machen. Da das Keimwachstum bei Käse und Whey Protein noch durch andere Prozesse außer der Hitzeeinwirkung, wie beispielsweise dem Entzug von Wasser, gehemmt wird, ist es in den meisten Fällen nicht notwendig, die Milch auf über 73 Grad Celsius zu erhitzen.

Im Anschluss wird die pasteurisierte Milch erneut heruntergekühlt und durch die Hinzugabe von Säuren oder Enzymen ausgefällt. Dabei gerinnt das Eiweiß in der Casein-Fraktion und wird fest. Mann nennt es dann Quark oder Käsebruch, der weiter zu Käse verarbeitet werden kann. Zurück bleibt die flüssige Molke, die wir zur Herstellung von Whey Protein benötigen.

Von der Molke zum Whey Protein

Der Proteinanteil der flüssigen Molke macht nur rund zehn Prozent ihrer Trockenmasse aus. Die restlichen 90 Prozent bestehen aus dem Milchzucker Laktose, Milchfett und Mineralien. Das Protein in Molke ist ein Gemisch aus verschiedenen Proteinfraktionen, hauptsächlich Albuminen und Globulinen [7]:

• 45 Prozent Beta Lactoglobulin
• 20 Prozent Alpha Lactalbumin
• 20 Prozent Proteose-Pepton
• 10 Prozent Immunoglobulin A und G
• 5 Prozent Bovines Serumalbumin
• 0,2 bis 0,5 Prozent Lactoferrin

Viele Hersteller behaupten, die Zusammensetzung sei wichtig, da einige der Fraktionen im Körper wirksame Eigenschaften auf das Immunsystem entfalten. Allerdings ist die genaue Zusammensetzung im Proteinpulver weniger wichtig, da alle diese Proteinfraktionen im Magen-Darm-Trakt denaturiert und in einzelne Aminosäuren und Peptide zerlegt werden und somit ihre speziellen Eigenschaften verlieren. Ihre Wirkung bezieht sich dann allein auf die Verfügbarkeit von Aminosäuren zur Synthese von körpereigenen Proteinen.

Die flüssige Molke kann dann als solches getrocknet und verkauft werden. Allerdings handelt es sich dabei noch nicht um das was wir am Ende als Nahrungsergänzungsmittel für Sportler kennen. Für die Herstellung von Whey Protein sind weitere Schritte notwendig. Zunächst wird dafür die flüssige Molke filtriert, um erste Fett- und Laktosebestandteile sowie einen Teil des Wassers zu entfernen. Anschließend erfolgt ein weiterer Filtrationsschritt, der entweder eine Cross-Flow-Filtration oder eine Dead-End-Filtration darstellt. Für die Herstellung Whey Protein wird in den meisten Fällen eine Cross-Flow-Filtration verwendet.

Die Cross-Flow-Filtration

Bei der Cross-Flow-Filtration, auch Querstromfiltration genannt, wird die flüssige Molke mit einem bestimmten Druck über eine halbdurchlässige Membran geleitet. Die kleineren Proteinbestandteile können dabei die Membran überqueren, wohingegen der Großteil des Fettes im sogenannten Retentat verbleibt. Der Anteil, der die Membran überquert, wird als „Permeat“ bezeichnet und enthält neben dem Protein noch Wasser, Mineralien und Milchzucker. In der Herstellung von Whey Protein Konzentrat kommt eine sogenannte Ultrafiltration zum Einsatz, die einen Proteingehalt von bis zu 80 Prozent erzeugen kann [8]. Dieses kann im Bedarfsfall durch eine Mikrofiltration weiter zu Whey Protein Isolat verarbeitet werden, um noch mehr Fett und Laktose zu entfernen [8].

Beide Filtrationen unterscheiden sich in der Porengröße der Membran und dem Druck der aufgewendet werden muss, um das Permeat vom Retentat zu separieren. Eine weitere Methode zur Herstellung von Whey Protein Isolat ist der Ionenaustausch, bei dem die Partikel nach ihrer Ladung aufgetrennt werden. Diese Methode steht allerdings in der Kritik, da einzelne Proteinfraktionen verloren gehen können. Im Anschluss an die Ultrafiltration kann dem flüssigen Permeat mittels Sprühtrocknung das Wasser entzogen werden, wonach es den Rohstoff darstellt, der sich zur Herstellung des fertigen Whey Protein Produktes verwenden lässt.

Die Veredelung

Einige Hersteller verkaufen unter anderem den reinen Rohstoff als geschmacksneutrales Protein, welches sich beispielsweise zum Kochen und Backen eignet oder zu Hause selbst mit Stoffen versehen werden kann, die dem Pulver einen Geschmack verleihen. Wirklich geschmacksneutral ist der Rohstoff allerdings nicht, weshalb wir und die meisten anderen Hersteller Zusätze verwenden, die die sensorischen Eigenschaften verbessern. Ohne an dieser Stelle zu sehr ins Detail gehen zu wollen, bilden hier verschiedene Aromastoffe und Süßungsmittel die Basis. Auch ein natürlicher Emulgator wird vielfach eingesetzt, um die Löslichkeit zu verbessern. Im Anschluss der Herstellung des Whey Proteins kann das Pulver abgefüllt werden und findet seinen Weg zum Endverbraucher.

Fazit und Zusammenfassung

Die Herstellung von Whey Protein aus frischer Kuhmilch ist ein technologisch anspruchsvoller Prozess. Bei genauerer Betrachtung ist er jedoch weniger kompliziert, als manch einer denken mag. Trotz der Tatsache, dass es sich bei Molke um ein Nebenprodukt der Käseherstellung handelt, ist Whey Protein ein besonders hochwertiger Eiweißlieferant, der insbesondere für Sportler spezifische Vorteile bieten kann.

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Literaturquellen:

1. Max Rubner-Institut. „Nationale Verzehrsstudie II. Ergebnisbericht, Teil 2.“ (2008).
2. Gorissen, Stefan HM, et al. „Protein content and amino acid composition of commercially available plant-based protein isolates.“ Amino acids 50.12 (2018): 1685-1695.
3. Lane, Michael T., et al. „Endocrine responses and acute mTOR pathway phosphorylation to resistance exercise with leucine and whey.“ Biology of sport 34.2 (2017): 197.
4. Morton, Robert W., Chris McGlory, and Stuart M. Phillips. „Nutritional interventions to augment resistance training-induced skeletal muscle hypertrophy.“ Frontiers in physiology 6 (2015): 245.
5. Joint, W. H. O. „Protein and amino acid requirements in human nutrition.“ World health organization technical report series 935 (2007): 1.
6. Boirie, Yves, et al. „Slow and fast dietary proteins differently modulate postprandial protein accretion.“ Proceedings of the National Academy of Sciences 94.26 (1997): 14930-14935.
7. Groot, Hilka de, and Jutta Farhadi. „Ernährungswissenschaft. 6.“ Aufl. Haan-Gruiten: Verl. Europa-Lehrmittel Nourney Vollmer (2015).
8. Savino, Patricia. „Knowledge of constituent ingredients in enteral nutrition formulas can make a difference in patient response to enteral feeding.“ Nutrition in clinical Practice 33.1 (2018): 90-98.