Luis A. Brumovsky Ingeniero Químico Magíster en Tecnología de los Alimentos Doctor en Ciencias Técnicas PROFESOR ADJUNTO DE BROMATOLOGÍA Y NUTRICIÓN FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS QUÍMICAS Y NATURALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES 2012 Producción Mundial de Leche Periodo 2004 - 2006 200 Europa Asia 150 América del Norte América del Sur Africa 100 Oceanía América Central 50 0 2004 2005 2006 Producción Mundial de Leche Periodo 2004 - 2006 700 Millones de Toneladas Millones de Toneladas 250 600 América Central 500 Oceanía Africa 400 América del Sur América del Norte 300 Asia 200 Europa 100 0 2004 2005 2006 1 Porcentaje de la Producción Mundial de Leche - Año 2006 Oceanía 3,8 % Asia 34,3 % Europa 33 % Africa 4,7 % América Central 2,4% América del Norte 13,7 % América del Sur 8 % La leche es el primer y único alimento de las crías de los mamíferos. Es secretada por las glándulas mamarias de las hembras, tras el nacimiento de las crías. Tiene como única finalidad la alimentación de los mamíferos recién nacidos. Se forma en las células epiteliales secretoras que recubre los alvéolos de la mama, su forma de agruparse y el dispositivo colector varían de unas especies a otras. El alveolo es una pequeña fábrica de leche que incluye una cámara de almacenamiento, el lumen. 2 LA GLÁNDULA MAMARIA En la vaca, existen 4 glándulas mamarias independientes habitualmente llamados cuartos, que sólo tienen en común la envoltura cutánea. Estructura de la ubre de vaca El conjunto forma un reservorio de aproximadamente 8 litros de capacidad para la totalidad de los cuartos de una vaca En la mama de la vaca, los alvéolos se reúnen en racimos formando los lóbulos; estos se comunican por un conducto colector ramificado con la cisterna situada en la base de la mama. BIOSÍNTESIS DE LA LECHE La leche se origina en el tejido secretor y es colectada por un sistema de ductos que se incrementan de tamaño a medida que se acercan a los pezones. El alveolo es un micro-órgano de forma cuasi esférica que tiene un recinto central denominado lumen, rodeado de células epiteliales secretoras. Las células están orientadas de tal manera que un extremo, el de la membrana apical, da al lumen y el otro, el basal posee una membrana que la separa de la sangre y de la linfa. En las células epiteliales hay un flujo de metabolitos desde la membrana basal hacia la membrana apical, estos son los bloques constituyentes de la leche que provienen de la sangre a través de la membrana basal. 3 Tejido lactogénico de vaca a escala creciente Los componentes básicos de la leche son sintetizados en el retículo endoplasmático con la energía suministrada por las mitocondrias. Estos componentes son empaquetados en vesículas secretoras por el aparato de Golgi y las gotas de lípidos se distribuyen en el citoplasma. Las vesículas y las gotas de lípidos pasan a través de la membrana secretora apical y son almacenados en el lumen. Las caseínas, la β–lactoglobulina y la α–lactoalbúmina se sintetizan en la glandula mamaria. La albúmina sérica y las inmunogloblinas proceden directamente de la sangre. 4 Cuando la oxitocina, hormona hipofisaria, circula con la sangre se liga a las células mioepiteliales, el alveolo se contrae, expeliendo la leche del lumen al sistema de ductos. Juntamente con el flujo de metabolitos, en las células hay un flujo de endomembranas hacia la membrana apical. Una vaca en el término de 305 días de lactación produce aproximadamente 7.000 kg de leche. CARACTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA LECHE La leche es una mezcla compleja tanto por la naturaleza de sus componentes como por su estado físico y químico. El elemento cuantitativamente más importante de la leche es el agua, en el que se encuentran: a) Sustancias en solución verdadera: de bajo PM, no ionizables (azúcares) y otras ionizables (sales, vitaminas hidrosolubles, aminoácidos). b) Sustancias en estado de dispersión coloidal: tales como las micelas de fosfocaseinato cálcico, seroproteínas, citratos y fosfatos de calcio y magnesio. c) Sustancias en estado de emulsión: vitaminas liposolubles. lípidos, esteroles y 5 Esquema de la estructura de la leche a diferentes aumentos PARTICULARIDADES DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA LECHE Isotonicidad con la sangre (Concentración de So ~ 0,3 molal) El punto de fusión de la grasa < 37 °C. El pH de la leche recién ordeñada es 6,6 – 6,8; ligeramente inferior al de la sangre. El punto de congelación va de –0,53 °C hasta - 0,57 °C. La densidad de la leche de vaca es de 1,029 – 1,034 a 15 °C. Disminuye al aumentar el contenido en grasa y aumenta al hacerlo el contenido en proteína, lactosa y sales. La biosíntesis de la lactosa regula la concentración de solutos y su contenido es relativamente constante para una especie, pero varía entre estas. 6 Composición media de algunas leches por especies Especie Sólidos totales Grasa Lactosa Proteínas Cenizas 11 - 13 3,4 – 3,6 4,6 – 4,7 3,4 – 3,6 0,7 – 0,8 Cabra 13,2 4,3 4,5 3,7 0,8 Oveja 17,0 5,3 4,6 6,3 0,8 Búfala 16 – 22 6–9 4,7 – 4,9 4,4 – 4,8 0,8 –0,85 Delfín 42 - 43 33 1,1 7,0 0,7 22 10,0 2,6 8,4 1,3 12 - 13 3,3 6,6 1,4 0,23 Vaca Rata Mujer La leche de vaca contiene disuelto a saturación ~ 10 meq/L de Ca como fosfato y citrato. El contenido de Ca y fosfato adicional está como complejo coloidal. Debido a las micelas coloidales y a los glóbulos de grasa presentes en la leche, la luz incidente es dispersada y da a la misma su color blanco característico. La composición química de la leche refleja el hecho de ser un alimento único para los mamíferos jóvenes, de aquí su compleja mezcla de lípidos, proteínas, carbohidratos, vitaminas y minerales. Es una fuente excelente de proteínas, Ca, P, vitaminas B2 y B12. Es buena fuente de vitaminas A, B1, equivalentes de niacina y Mg. Es pobre en Fe, Cu y vitamina C. Cambio en la composición de la leche de vaca después del parto Composición de la leche de vaca Componente Porcentaje Rango Agua 86,6 85,4 – 87,7 Grasa 4,1 3,4 – 5,1 Proteínas 3,6 3,3 – 3,9 Lactosa 5,0 4,9 – 5,0 Cenizas 0,7 0,68 – 0,74 7 PROTEÍNAS DE LA LECHE • La leche contiene 30 a 35 mg/L de proteínas de alto valor nutritivo. • Hay 6 productos genéticos principales: caseína αs1; caseína αs2; β-caseína, κ-caseína, α-lactoalbúmina y β -lactoglobulina. Proteína Concentración (g/L) Caseínas 24 - 28 % aproximado de la proteína total 80 αs-caseínas 15 - 19 αs1-caseínas 12 - 15 34 αs2-caseínas 3–4 8 42 β -caseínas 9 – 11 κ-caseína 3-4 9 γ-caseína 1-2 4 Proteínas del suero 5–7 β -lactoglobulina 2-4 α-lactoalbúmina Proteasas-peptonas 25 20 9 1 - 1,5 4 0,6 – 1,8 4 0,1 – 0,4 1 0,6 - 1 2 Proteínas de la sangre Albúmina sérica Inmunoglobulinas CASEÍNAS Las caseínas representan la fracción que se separa por coagulación a pH = 4,6 y 20 °C de la leche desnatada. Según esta separación se realice por acidificación o por acción enzimática; se las denominan caseínas ácidas o caseínas del cuajo. Las caseínas constituyen un grupo heterogéneo de fosfoproteínas y consta de 3 fracciones principales: αs1-caseína (PM = 23.600) β -caseína (PM = 24.500) κ-caseína (PM = 18.000) Todas las caseínas forman un complejo esférico singular altamente hidratado, conteniendo fosfato cálcico, denominado micela. Por ello la cantidad de Ca++ y PO4-3 que lleva la leche exceden a las de las soluciones acuosas saturadas. 8 Las α y β-caseínas son sensibles a la precipitación con pequeñas cantidades de Ca++, en cambio la κ-caseína actúa como estabilizante, frente a la acción del calcio. La κ-caseína se desestabiliza por la acción de la renina del cuajo, es decir durante el cuajado de la leche, el cuajo ataca a la κ-caseína, escindiendo el enlace peptídico fenilalanina-metionina, con liberación de un glicopéptido. La paracaseína así formada ya no estabiliza más el complejo caseínico, y en presencia de Ca los conjuntos micelares se polimerizan y coagulan, formando un gel, la cuajada, que por sinéresis expulsa el líquido llamado lactosuero. Complejo caseínico Debido a su fosforilación y naturaleza anfifílica, las caseínas interaccionan unas con otras y con el fosfato cálcico para formar grandes complejos esféricos, llamadas micelas, con diámetros que oscilan desde unos 30 a 300 nm. Las micelas están formadas por subunidades casi esféricas de ~10 – 20 nm, asociadas entre sí a través de puentes salinos de iones Ca o complejos de fosfato de Ca. Las micelas contienen el 92 % de proteína y el 8 % de constituyentes inorgánicos, esencialmente fosfato cálcico. Las micelas se caracterizan por una estructura esponjosa y porosa con gran voluminosidad ≈ 4 mL/g de caseína y una excepcional hidratación proteica., de 3,7 g H2O/g de caseína. 9 Se han propuesto diversos modelos de micela a nivel molecular, cada uno de los cuales concuerda bien con parte de los datos experimentales. Este modelo postula la formación de subunidades que constan de unos 30 monómeros diferentes de caseínas y que se agregan a micelas mayores mediante puentes de fosfato cálcico. b a Modelo esquemático de una micela de caseína, (a) Subunidades de caseína: αs, β, γ y κ. (b) Micelas de subunidades, que están unidades por puentes de fosfato cálcico. a b Submicela Modelo esquemático de una micela de caseína, (a) Submicela de caseínas: αs, β, γ y κ. (b) Micelas de subunidades, que están unidades por puentes de fosfato cálcico. Cadenas emergentes Fosfato de calcio κ-aseína Interacciones hidrofóbicas 10 PROTEÍNAS SÉRICAS β-lactoglobulina: de estructura globular con un PM = 18.000 Al pH normal de la leche y a 20 °C se encuentra como dímeros en forma de 2 esferas entrelazadas. A pH menores a 3,5 y mayores a 7,5 el dímero se disocia formando un monómero. Es la principal fuente de grupos –SH, responsables del desprendimiento de SH2 que se produce cuando la leche se calienta por encima de 70 °C. No se encuentra presente en la leche humana, y es la más abundante en el lactosuero de la leche de vaca. La β-lactoglobulina experimenta cambios estructurales irreversibles en el intervalo de temperaturas de muchos procesos térmicos de la leche y productos lácteos. Incide en los tratamientos tecnológicos de la leche. Su desnaturalización por calentamiento reduce el riesgo de coagulación de la leche durante la esterilización; pero puede conducir a la formación de una cuajada insuficientemente firme, durante la preparación de ciertos quesos, porque la βlactoglobulina desnaturalizada queda absorbida por la superficie de las micelas de caseínas e impide la acción del cuajo. β-lactoglobulina desnaturalizada Micelas de caseínas Proteínas del suero β-lactoglobulina Puentes disulfuro Durante la desnaturalización la κ-caseína se adhiere a la β-lactoglobulina 11 α-lactoalbúmina: proteína globular con un PM = 16.000. Tiene un elevado contenido en triptófano. No presenta grupos -SH libres, aunque es rica en cisteína. La α-lactoalbúmina tiene una función definida, representa la proteína B del sistema lactosa sintetasa que cataliza la reacción: α-lactoalbúmina (UDP-gal) + glucosa galactosil-transferasa lactosa + UDP En ausencia de α-lactoalbúmina el componente A (galactosiltransferasa) del sistema transfiere la galactosa a la Nacetilglucosamina. La α-lactoalbúmina no resulta desnaturalizada por el calor en ninguna de las condiciones habituales de tratamiento de la leche. Inmunoglobulinas: Son semejantes a las de la sangre, son glicoproteínas con actividad anticuerpo. Constituyen las principales proteínas del calostro y sirven para transferir inmunidad pasiva al recién nacido. La presencia de pequeñas cantidades de inmunoglobulinas hallada en la leche normal participa conjuntamente con la fase lipídica del fenómeno de formación de la nata. Albúmina del suero: es idéntica a la sangre y llega a la leche por una vía diferente a la de las sintetizadas en las glándulas mamarias. Fracción proteasas-peptonas: grupo poco definido de fosfoglicoproteínas, estables al calor y a la acidez. Enzimas: las enzimas de la leche se encuentran repartidas por todo el sistema, asociadas a las micelas de caseína, a los glóbulos grasos y en forma libre en suspensión coloidal 12 LÍPIDOS DE LA LECHE La composición lipídica de la leche bovina es la más compleja que se conoce. Los triglicéridos representan entre el 96 y 98 % del total y están presentes en los glóbulos de 2 – 10 µm de diámetro rodeados por una membrana derivada de la membrana plasmática apical celular. Composición lipídica de la leche de vaca Componente % en peso g/L Triglicéridos 95,8 30,7 Diglicéridos 2,25 0,72 Monoglicéridos 0,08 0,03 Ácidos grasos libres 0,28 0,09 Fosfolípidos 1,11 0,36 Colesterol 0,46 0,15 Ésteres de colesterol 0,02 0,006 trazas trazas Hidrocarburos En los lípidos bovinos se identificaron más de 400 AG diferentes, pero sólo 13 de estos aparecen en concentración superior al 1 %. De los AG identificados, se tiene que: los saturados representan ~ el 63 % los ácidos monoenoicos ~ el 30 % los dienoicos ~ el 3 % los polienoicos ~ el 1 % Ácido graso Nro. de átomos de C: grado de saturación % en peso Butírico 4:0 3,8 Caproico 6:0 2,4 Caprílico 8:0 1,4 Cáprico 10:0 3,5 Láurico 12:0 4,6 Mirístico 14:0 12,8 Miristoleico 14:1 1,6 Pentadecanoico 15:0 1,1 Palmítico 16:0 43,7 Palmitoleico 16:1 2,6 Esteárico 18:0 11,3 Oleico 18:1 11,3 Linoleico 18:2 1,5 Principales AG de los lípidos de la leche de vaca 13 TRIGLICÉRIDOS La distribución de los AG en los TG no es al azar. Los AG de cadena corta están localizados preferentemente en la posición 3 y los de cadena media o larga en las otras dos posiciones. DIGLICÉRIDOS El hidroxilo libre está siempre en las posiciones terminales. Debido que los AG de cadena corta son esterificados en la etapa final de la síntesis de los lípidos, los AG de los diglicéridos son en general > al láurico. ÁCIDOS GRASOS LIBRES Pequeñas cantidades de AG libres están presentes en la leche fresca. Durante el almacenamiento ocurre un cierto grado de lipólisis produciéndose más cantidad de AG libres y de mono y diacilgliceroles. FOSFOLÍPIDOS Están distribuidos en la membrana del glóbulo y en la fase acuosa. Los más importantes son: fosfatidilcolina, esfingomielina, fosfatidiletanolamina y fosfatidilserina. ESTEROLES Se encuentran en la fracción insaponificable de la grasa de leche y son principalmente, el colesterol y algo de lanosterol. (227 g de leche contiene 27 mg de colesterol) HIDROCARBUROS Y ÉTERES También se encuentran en la fracción insaponificable de la grasa y los más importantes son el escualeno y los carotenoides. 14 FORMACIÓN DE LA CREMA O NATA La nata se forma debido al ascenso de los glóbulos de grasa. La formación de la crema posee aun un mecanismo poco conocido, pues si se calcula la velocidad v de ascenso de las gotitas de grasa mediante la ley de Stokes: d2 . (ρp - ρl) . g v= 18 . µ El tiempo necesario para la formación sería de 50 horas, sin embargo, no supera los 30 minutos. Durante el proceso de formación se observan agrupaciones de glóbulos de grasa incrementándose el diámetro efectivo y también la velocidad de ascenso. La formación de la crema se debe a la actividad de algunos componentes del suero proteico, principalmente la participación de las macro inmunoglobulinas IgM y las IgA. COALESCENCIA DE LOS GLÓBULOS GRASOS DE LA LECHE Distancia de sedimentación, s Tiempo t 15 AZÚCARES La lactosa es el principal carbohidrato de la leche, el cual es un disacárido compuesto por glucosa y galactosa Lactosa La concentración de la lactosa varía según el origen de la leche Variación de la lactosa según el origen de la leche Digestión de la lactosa La lactasa, enzima que hidroliza la lactosa, es una β-galactosidasa intestina específica que tan solo actúa sobre la lactosa. La digestión de la lactosa se lleva a cabo principalmente en el yeyuno, donde la lactasa hidroliza a la lactosa en sus monómeros integrantes. Parte de la glucosa puede ser utilizada directamente por las células de las vellosidades, el resto junto con la galactosa, pasan a la corriente sanguínea, siendo ambos azúcares metabolizados en el hígado. 16 Si no hay suficiente lactasa en el intestino, una parte de la lactosa no se digiere y pasa al intestino grueso sufriendo dos procesos: 1) Se produce un aporte de agua desde el tejido intestinal hacia el contenido intestinal (deshidratación osmótica del intestino). 2) La lactosa es fermentada por las bacterias del colon, se forman así ácidos orgánicos y CO2, causando diarreas, sensación de hinchamiento, eructos, flatulencia y espasmos intestinales. Esto se conoce como intolerancia a la lactosa. Curva de actividad lactásica SALES Las sales de la leche constan principalmente de fosfatos, citratos, cloruros y bicarbonatos de Ca, K, Na y Mg. Se encuentran distribuidas en una fase soluble y en una fase coloidal en interacción con las proteínas. La sal más importante es el fosfato cálcico coloidal que se encuentra en equilibrio entre las fases micelar y sérica. En las micelas hay cantidades importantes de Mg y cierta cantidad de citrato. Componente Calcio total Calcio ionizado Magnesio Sodio Media (mg/100 g) Rango de valores % en la fase soluble % en la fase coloidal 121 114 – 124 33 67 8 6 - 16 100 0 12,5 11,8 - 13,7 66 34 60 48 – 79 96 4 Potasio 144 116 – 176 94 6 Citrato 176 166 – 192 94 6 Fósforo total 95 79,8 – 101,7 45 55 Fósforo inorg. 65 53 – 72 55 45 108 92 – 131 100 0 Cloruro 17 VALOR NUTRICIONAL • La leche es un alimento líquido, pero su contenido en materia seca (del 10 al 13 %) es próximo al de numerosos alimentos sólidos. Su valor energético es de 700 kcal/litro. • Sus proteínas son de alta calidad, cuyo VB es de ~ 100. • Las proteínas de la leche son ligeramente deficientes en los aminoácidos metionina y cisteína, lo que hace que el valor biológico sea ligeramente inferior a 100. • Puesto que los aminoácidos azufrados están presentes en mayores cantidades en la proteínas del suero que en las caseínas, las primeras tienen un VB más alto que las últimas. • La leche es un excelente aporte de calcio, fósforo, vitaminas B2 y B12; es relativamente rica en Mg, tiamina, niacina y vitamina A. • Contiene poco hierro, poca vitamina C y D. Composición nutricional de la leche entera de vaca (3,3 % grasa) 18 Información nutricional de la leche de vaca TECNOLOGÍA DE LA LECHE La leche fluida que llega al consumidor sufre una serie de tratamientos. 19 LIMPIEZA Para eliminar las impurezas macroscópicas, los grumos y parte de microorganismos. Se utiliza el método de centrifugación que es el más eficaz. El equipo es similar a una desnatadora, pero regulado de tal manera que la crema no se separe. La operación se hace con la leche precalentada (50 – 60 °C) en forma continua. Eliminación de sólidos Eliminación de sólidos PASTEURIZACIÓN Tratamiento térmico que tiene por objetivo principal destruir las formas vegetativas de algunas bacterias patógenas que pueden estar presentes en la leche y algunas otras bacterias no patógenas que pueden alterar la leche. También destruye ciertas enzimas, especialmente lipasas. 20 Los métodos son los siguientes: 1)Pasteurización baja, a 63 °C por 30’ Generalmente se realiza en tanques cerrados provistos de agitadores. El tratamiento es suave, da origen a pocas modificaciones; en particular el color y el sabor permanecen invariables. Aparte de ser discontinuo, este procedimiento exige una instalación de capacidad voluminosa y puede provocar la multiplicación de bacterias termófilas. 2) Pasteurización alta, a 72 - 75 °C durante 15’’ o instantáneamente a 95 °C Es la más usada y se hace en intercambiadores de calor tubulares o de placas en forma continua. También conocida como temperaturas altas tiempos cortos (HTST). Esquema de un pasteurizador de leche - Sistema HTST Millones de bacterias/mL 21 Esquema de circulación en un intercambiador de calor de placas Leche cruda Leche pasteurizada Fluido calefactor Patrón de flujo paralelo en las placas de un intercambiador de calor Intercambiador de calor de placas 22 Ventajas y desventajas de los equipos de pasteurización Los cambiadores de placa son pocos voluminosos y tienen una gran flexibilidad de funcionamiento y el rendimiento térmico es excelente. Se utilizan especialmente para grandes capacidades (10.000 L/h o más) y permiten un gran automatismo. Son los más difundidos en la mayoría de países, para la pasteurización HTST. Los cambiadores tubulares ocupan más sitio, pero sirven para instalaciones de pequeñas y medianas capacidades. Como ventajas debe señalarse que el riesgo de fugas es menor que con el sistema de placas y además son más baratos. Relaciones de temperatura y tiempo para la inactivación térmica de algunas enzimas de la leche 23 Control de pasteurización Se detecta la inactivación de la enzima fosfatasa alcalina, presente en la fase acuosa y en la superficie de los glóbulos grasos Se realiza mediante hidrólisis de un fenol-fosfato de leche incubada. Si se libera fenol con un reactivo orgánico, (2,6-dicloroquinonaclorimida) se presenta una reacción coloreada de azul como indicador de presencia de fosfatasa. C6H5—O—PO3Na2 + H2O C6H5OH + PO4Na2H HOMOGENEIZACIÓN Previa pasteurización se somete a la leche a temperaturas de 70 °C; a altas velocidades y a presiones elevadas (150 a 250 kg/cm2) a través de orificios o válvulas muy estrechas. El glóbulo de grasa se reduce a 1/5 del tamaño inicial y se destruyen parcialmente algunas micelas de proteínas y los pedazos se adhieren a los glóbulos de grasa. Se presenta los siguientes efectos: Mayor estabilidad coalescencia de la emulsión por retardo de la Mejora la consistencia de la leche Aumenta la blancura Los lípidos son más digeribles debido a la > penetración de las lipasas digestivas Mejora la digestibilidad de las caseínas. Más sensibilidad a las lipasas endógenas de la leche. 24 Pistón Asiento Producto homogeneizado Producto sin homogeneizar Producto homogeneizado Abertura ~ 0,1 mm En la homogenización se forza a la leche a pasar por pequeñas aberturas de manera de dividir los glóbulos de grasa Disrupción de los glóbulos de grasas en muchas partículas menores causadas por la homogeneización a b (a) Esquema de un homogenizador de doble efecto. (b) Esquema de un homogenizador de simple efecto. 25 Distribución del volumen de grasa en % Homogeneizada bar Homogeneizada aa 250 250bar Homogeneizada Homogeneizada aa 100 100 bar bar Leche Leche sin sin homogeneizar homogeneizar Tamaño del glóbulo en micrones Curva de distribución de tamaño de los glóbulos de grasa ESTERILIZACIÓN DE LA LECHE Objetivo: destruir todas las bacterias y esporas, asegurando una conservación prolongada en recipientes herméticamente cerrados. Previa pasteurización, homogeneización y desgasificación al vacío, se somete a la leche a tratamientos que dependen del equipamiento y de si está previamente envasada. 1) En el envase a) Autoclaves discontinuos: Sistema inmóvil: a 115 °C durante 15’. Son autoclaves a baja presión, aptos para pequeñas instalaciones. La refrigeración se realiza, tras el escape del vapor, mediante la admisión de agua tibia y luego fría en el autoclave. Sistema móvil: si los envases se agitan fuertemente, es suficiente 4’ a 125 °C. 26 b) Autoclaves continuos: Con vapor a presión: con la leche envasada en recipientes metálicos, la esterilización se consigue a 117 °C por 12’ Esterilizador rotatorio continuo. (a) vista frontal del rotor, (b) vista lateral De columna de agua o hidrostático: la cámara de esterilización con vapor a presión se comunica con la atmósfera por 2 columnas de agua simétricas. Las botellas de leche avanzan desde lo alto de la 1ra columna hacia la cámara de esterilización, donde permanecen 15’ a 20’ a 115 °C. Salen por la 2da columna de agua, donde se enfrían parcialmente. Descripción de la forma de operar de un esterilizador de columna de agua 27 1) En flujo continuo Aquí se trata de trabajar según el principio “Temperatura alta – Tiempo corto”, lo que permite mantener a la leche, su sabor y valor nutritivo al máximo. Se utilizan cambiadores de calor, tubulares o de placas, donde se aplica una esterilización de 10’’ a 15’’ a 135 °C. Por contacto directo con vapor durante 1’’ a 3’’ a 140 – 150 °C. Luego la leche se enfría rápidamente y se envasa asépticamente en recipientes totalmente estériles. SEPARACIÓN DE LA MATERIA GRASA Se realiza mediante separadores centrífugos los que descargan continuamente por una parte la crema y por otro lado la leche descremada que posteriormente se pasteuriza Esquema del funcionamiento de un separador centrífugo La crema es una emulsión grasa/agua con un 65 - 70 % de agua y la casi totalidad de lípidos y vitaminas liposolubles. La leche desnatada posee menos de 0,1 % de grasa. 28 Crema de leche Leche desnatada Leche entera Esquema del funcionamiento de un separador centrífugo Vista de una fila de discos de la centrífuga mostrando la entrada de la leche a través de los agujeros y la separación de los glóbulos de grasa de la leche desnatada ELABORACIÓN DE LA MANTECA Para transformar la crema en manteca, se agita la crema en tambores (mantequeras) provistos de paletas giratorias. Se controla la temperatura en torno a 10 °C y la velocidad de agitación en 50 RPM por 40’ aproximadamente. Este equipo transforma la emulsión grasa/agua en emulsión agua/grasa, que contiene entre 80 y 85 % de grasa y se separa un líquido acuoso (suero). Embalajes que la protejan de la luz y el aire. Para evitar la deterioración microbiológica y oxidativa Se refrigera entre -6 y -8 °C. Se agregada sal (2,5 % a 13 % p/p) que se disuelve en la fase acuosa, donde alcanza una concentración del 18 %. 29 Crema manteca Lactosuero Máquina continua para fabricar manteca CONCENTRACIÓN DE LA LECHE Se realiza por evaporación a presión reducida de la leche previamente pasteurizada y homogeneizada (50 a 60 °C). La evaporación se realiza hasta lograr un contenido de sólidos 3 veces mayor que el original. Se utilizan evaporadores de película delgada o evaporadores de superficie raspada. Evaporador horizontal de superficie raspada 30 Flujo del producto en una cámara de vacío Evaporador de película descendente de simple efecto Leche concentrada sin azúcar (esterilizada) Se obtienen dos productos Leche condensada (con azúcar) La primera se conserva por esterilización. La segunda al no ser estéril, se conserva principalmente por el gran contenido de sólidos solubles, pues se adiciona sacarosa antes de la evaporación. El producto final resultante contiene ~ 25 % de agua, 30 % de materia seca de leche y 44 - 46 % de sacarosa. La leche concentrada estéril puede sufrir alteraciones por gelificación y PNE. La leche condensada, alteraciones por gelificación, PNE y desarrollo de microorganismos. 31 DESHIDRATACION DE LA LECHE La leche en polvo se produce a partir de leche pasteurizada y concentrada hasta un 40 - 55 % de materia seca. Se deshidrata hasta un contenido de humedad de 3 – 4 %, por medio de secaderos spray. La leche concentrada se “atomiza” dentro de la cámara de secado. Las pequeñas gotitas así formadas se arrastran y deshidratan en una corriente de aire caliente, dando un polvo seco antes de caer sobre las paredes inferiores del aparato. La duración de secado es ~ 10” dependiendo de La superficie de contacto aire-producto Del tamaño y velocidad de las gotitas De la longitud del equipo. Esquema del sistema de secado por atomización Para mejorar la solubilidad se procede a re-humidificar ligeramente el polvo mediante vapor y secarlo lentamente. La leche en polvo durante el almacenamiento está sujeta a reacciones de PNE y a oxidación de lípidos. 32 PRODUCTOS RELACIONADOS CON LA LECHE LECHE CON MULTIVITAMINAS Y MINERALES Se fortifica a la leche con vitaminas (A, D, tiamina, riboflavina, niacina) y algunos minerales (hierro e yodo). LECHE DE BAJA LACTOSA Se trata a la leche con lactasa durante su procesamiento o se agrega la enzima a la leche entera. LECHE ÁCIDA Se obtiene por fermentación ácida de la leche, con bacterias formadoras de ácido láctico o tras la adición de microorganismos mesófilos a la leche calentada a 20 °C. Durante la acidificación, se forma ácido láctico, que a pH 5-4 produce la coagulación de la caseína. Se elabora con leche entera pobre en grasa o leche descremada, a veces con adición de leche en polvo descremada para aumentar la sustancia seca y mejorar la estructura del gel proteico. YOGUR Se elabora industrialmente con leche de vaca descremada, (puede elaborarse con leche de oveja o búfala). Se enriquece a la leche con un 2 % de leche en polvo y se pasteuriza a 85 °C durante 30’’ a 60’’. Se siembra con Lactobacillus bulgaricus o helveticus y Streptococcus termofilus, luego se distribuye en recipientes y se mantienen a 45 °C. Después de 2-5 h, se produce la cuajada, entonces se enfrían y se agregan extractos de frutas y confituras. El yogur recién obtenido tiene un pH de 4 - 4,2; y contiene 0,7 a 1,2 % de ácido láctico. Se agrega sorbato de K y se lo conserva por debajo de 10 °C. 33 HELADOS Composición Los derivados lácteos que se utilizan en la fabricación son: leche entera y descremada, manteca, crema, leche condensada y en polvo. Está compuesto por grasa de leche y sólidos de leche no grasos, más azúcares, estabilizadores, emulsionantes, sustancias aromatizantes, colorantes autorizados, agua y aire. Composición media 10 % de grasa láctea 11 % de leche en polvo 14 % de sacarosa 2 % de jarabe de glucosa 0,3 % de emulsionantes 0,3 % de espesantes 62 % de agua. Composición y clasificación de helados comerciales (CAA Art. 1075 y 1077) Componentes Helado de agua o sorbetes Helados de leche Cremas heladas o hel. de crema Mat. grasa de leche < 1,5 % p/p > 1,5 % p/p > 6,0 % p/p > 6,0 % p/p > 6,0 % p/p Sólidos no grasos de leche Extracto seco > 20,0 % p/p Emulsionantes < 0,5 % p/p < 0,5 % p/p < 0,5 % p/p Espesantes estabilizantes < 0,5 % p/p < 0,5 % p/p < 0,5 % p/p El agregado de aire a la mezcla de crema helada produce un aumento de volumen. El rango usual es del 70 al 100 % 34 Funciones de los ingredientes La crema otorga la textura característica de las cremas heladas (cuerpo) y potencia el aroma. Los sólidos no grasos influyen principalmente en la textura. Los azúcares agregan dulzor y descienden el Pto de congelación. Los estabilizadores forman geles con el agua de manera de ser estables aún a bajas temperaturas, (gelatina, goma guar, goma karaya, pectinas, carragenatos, etc.). Los estabilizadores por ligazón de agua previenen la formación de cristales de hielo durante el congelamiento y facilitan la incorporación de aire durante la congelación. La yema de huevo es un emulsionante natural debido a su contenido en lecitina. Los emulsionantes comerciales contienen monoglicéridos y diglicéridos que ayudan a dispersar los glóbulos de grasa y evitan la formación de grumos y separación de la mezcla batida. Procedimiento de manufactura 1. MEDICIÓN DE VOLUMEN O PESADO 1) Se combinan los ingredientes líquidos en un mezclador a una temperatura ~ 43 °C. 2) Se agrega el azúcar y los otros ingredientes secos de tal forma de facilitar su disolución. 3) La mezcla se pasteuriza por 30’, a 60 – 65 °C si es discontinua, o a 82 °C durante 25’’, si es continua. 4) Se homogeniza la mezcla a la temperatura que sale del pasteurizador a presiones de 150-200 bar, produciéndole cuerpo y textura. 5) Se enfría a 5 °C – 6 ºC. 6) Se madura durante 3 a 20 horas. 7) Congelación y batido generalmente utilizando congeladores cilíndricos rotatorio, alcanzando una temperatura final de ~ –6 °C. 8) Se almacena a una temperatura < –18 °C. 2. MEZCLADO 2. PASTEURIZADO 4. HOMEGENEIZADO 5. ENFRIADO 6. MADURACIÓN 7. CONGELACIÓN Y BATIDO 8. ALMACENADO 35 Estructura física del helado El helado es una espuma donde la mezcla de crema helada es la película que forma la celda de aire. Las burbujas de aire tienen una triple función: Disminuyen el valor nutritivo Hacen que el producto sea blando Impiden una excesiva sensación de frío durante el consumo Las áreas marcadas con b son celdas de aire. Todo el resto es la película de mezcla congelada que rodea a las celdas de aire. Dentro de la película están los cristales de hielo, indicados con a, proteínas, glóbulos de grasa solidificada, azúcares, y todos los otros constituyentes de la mezcla. Microfotografía de la estructura interna de la crema helada Los factores que influyan destructivamente sobre la película producirán helados defectuosos. Un exceso de lactosa produce cristalización excesiva y la textura de crema helada se torna arenosa, pudiendo además producir un colapso de las celdas de aire. Cuando la crema envejece durante el almacenamiento, se produce un debilitamiento de la película de las celdas de aire, las que pueden llegar a colapsar, causando la pérdida de volumen de la crema helada. Diagrama de la estructura de las cremas heladas 36 Estructura de la crema helada LOS QUESOS Son una forma de conservación de insolubles de la leche: grasas y caseínas. los componentes Se obtienen por coagulación de la leche seguida del desuerado, en el curso del cual el lactosuero se separa de la cuajada. El lactosuero contiene la mayor parte del agua y de los componentes solubles, quedando una pequeña parte retenida en la cuajada. Composición media de algunos quesos Queso Agua % Materia grasa % Proteínas % Sales minerales % Camembert 50 26 20 1,2 Roquefort 40 33 22 2,3 Cheddar 36 32 25 2,0 Comté 38 28 27 2,3 Parmesano 31 28 38 3,0 37 Las características de los tipos de quesos dependen de varios factores como ser: Microbiológicos: composición de la microflora. Bioquímicos: concentración y propiedades de las enzimas del cuajo, y de los microorganismos. Químicos: contenido de agua y sal, proporción de Ca retenido en la cuajada, etc. Físicos: temperatura, pH, Eh y efectos osmóticos. Mecánicos: corte, agitación, frotación, etc. Se clasifican de acuerdo a diversos criterios: 1) Según el tipo de leche (vaca, oveja, cabra, etc.). 2) Según el procedimiento de cuajado (por acidificación, por cuajo o por combinación de ambos procedimientos). 3) De acuerdo al contenido de agua de la materia seca magra: Quesos muy duros (< 47 %) Quesos duros (< 56 %) Quesos para fetas ( 54-63 %) Quesos semigrasos para fetas (61-69 %) Quesos blandos (67-76 %) Quesos frescos (73-87 %) 4) De acuerdo al contenido de grasa de la materia seca (%). Quesos doble crema (60-85) Quesos crema (> 50) Quesos supergrasos (>45) Quesos grasos (> 40) Quesos semigrasos (> 20) Quesos magros (< 10) 38 FASES DE FABRICACIÓN DE LOS QUESOS 1) Maduración de la leche Objetivo: desarrollar en la leche una microflora activa para luego realizar el cuajado. Se realiza: a) Conservando la leche cruda por un tiempo dado: durante una noche cuando se recibe por la tarde en la quesería. Se mantiene a 10-15 °C, (se reproducen los microorganismos sin acidificación apreciable). b) Siembra con fermentos lácticos: cuando se parte de leche pasteurizada, se agregan fermentos de mucha actividad que producen poca acidez. Estos se añaden a la leche un determinado tiempo antes de adicionar el cuajo, de tal forma que se produzca una pequeña maduración. 2) Coagulación o cuajado La coagulación de la leche se produce por dos métodos: a) Por acción del cuajo b) Por acidificación Características de las formas habituales de coagulación Coagulación por acción del cuajo Proceso bioquímico Acción enzimática (lactosa Fermentación láctica a no degradada) expensas de la lactosa Modificación de la Transformación en paracaseína caseína y separación de una parte no proteica pH Sin modificación química de la proteína 6,8 4,6 Fosfo-paracaseinato de calcio Caseína pura (desmineralizada) Composición coágulo del Naturaleza coágulo del Gel elástico impermeable Sinéresis Coagulación por acidificación Rápida Cuajada desmenuzable, sin cohesión Lenta 39 El término “cuajo” se refiere a la enzima bruta extraída de los cuajares de los rumiantes jóvenes sacrificados antes del destete. Se extrae industrialmente macerando los fragmentos de cuajares secos en una salmuera al 10 %, adicionada de un antiséptico (ácido bórico, timol, ácido benzoico, etc). El cuajado está influenciado por: La acidez de la leche en el momento de la adición del cuajo Temperatura Cantidad de calcio soluble La dosis del cuajo Para cada tipo de queso existen valores óptimos que se han tomado empíricamente. Actividad del cuajo Está representada por una relación cuantitativa entre un determinado volumen de cuajo y otro de leche, realizándose la coagulación en unas condiciones fijadas arbitrariamente. La fuerza del cuajo, F, representa los volúmenes de leche fresca coagulada por un volumen dado de cuajo en 40’ a 35 °C. F = 2400 . V / t . v V = volumen de leche; v = volumen de cuajo y t = tiempo en seg. Fuerza de algunos cuajos comerciales Presentación Fuerza de cuajos comerciales Cuajos líquidos 2.000 a 5.000 Extractos de cuajo Cuajos en polvo Cuajo cristalizado 10.000 100.000 a 150.000 10.000.000 40 3) Desuerado a) Desuerado natural o espontáneo, la cuajada se toma de la cuba con precaución y se introduce directamente en el molde. El desuerado se debe exclusivamente al descenso del pH debido a la fermentación láctica y se favorece con la temperatura, por lo que se realiza entre los 25 y 30 °C. b) Desuerado aplicando trabajo mecánico a la cuajada. Las técnicas empleadas son: Se corta la cuajada en la cuba en forma de trozos cúbicos y se coloca en los moldes, seguida del volteo a intervalos regulares. Cortado y desuerado preliminar sobre tela y colocación en moldes. Cortado y presión sobre la cuajada en la cuba para evacuar el suero, luego, colocación en moldes y presión sobre los mismos para compactar y desuerar aun más. En el desuerado se incluye también la cocción, que se utiliza en quesos de gran formato, en los que el desuerado es muy pronunciado y rápido. La cocción es un tratamiento térmico moderado que se realiza agitando la cuajada finamente cortada en su suero a 50 - 60 °C. En 2 horas aproximadamente, la cuajada alcanza la consistencia adecuada y puede pasarse a los moldes. 4) Moldeo En esta operación se da forma al queso. 41 5) Salado Sus efectos producen: Protección contra los microorganismos indeseables. Potenciación del sabor del queso. Drenaje del suero y complemento del contribuyendo así a la formación de la corteza. desuerado, Influencia sobre la acción de enzimas, un exceso de sal retrasa la maduración y la masa permanece dura más tiempo. Ligero aumento de la solubilidad de las proteínas del queso. La concentración de sal es de 1 - 2 % y se realiza a ~ 15 °C. a) La sal cristalizada se coloca sobre el queso o se frota sobre él. b) Con solución de salmuera al 20 %, procedimiento que permite un salado más regular y exige menos mano de obra. 6) Maduración o afinado Los objetivos principales son: Formar el aroma y el sabor. Otorgar la textura deseada. Otorgar el aspecto típico exterior. En la maduración ocurren muchas reacciones bioquímicas complejas, como ser: proteólisis, desaminación, descarboxilación, lipólisis, degradación de AG, sacarólisis, fermentación del ácido láctico, etc. Las modificaciones que ocurren en la maduración son: Pérdida de humedad o secado. Destrucción total de la lactosa. Neutralización o desaparición parcial del ácido láctico Solubilización parcial de las caseínas (proteólisis). Hidrólisis limitada de la materia grasa. Formación de la corteza. 42