Suero de Leche Propiedades y Usos

“Suero de leche, propiedades y usos”.Innovación en la industria láctea. O s c a r F r a n c h i M . 2 0 10 INDICE Introducción .................................................................................................................... 3 Tipos de suero de leche y sus componentes ............................................................ 4 Usos del suero de leche ............................................................................................... 6 El suero como alimento animal ................................................................................... 8 Suero líquido para los cerdos ...................................................................................... 8 Suero líquido para el ganado ....................................................................................... 9 El suero, como base para formulaciones infantiles.................................................. 9 Proteínas del suero de leche ..................................................................................... 12 El suero y su uso en productos dietéticos ............................................................... 13 Propiedades insulinotrópicas de las proteínas lácteas.......................................... 13 Las proteínas del suero y la regulación en la ingestión de alimentos................. 14 Las proteínas de suero como ingredientes esenciales en productos alimenticios ........................................................................................................................................ 16 El suero de leche y la elaboración de pan ............................................................... 16 Productos cárnicos ...................................................................................................... 17 Productos de carne triturada (emulsionada) y molido grueso .............................. 17 Aplicación en hamburguesas de carne de res bajas en grasa............................. 17 Salchichas/hot dogs/embutidos bajos en grasa ..................................................... 18 El suero de leche y su uso en la elaboración de quesos ...................................... 19 Elaboración de bebidas a base de suero de leche. ............................................... 22 Bebidas a base de suero de leche entero ............................................................... 22 Bebidas a partir de suero desproteinizado .............................................................. 24 Bebidas no fermentadas ............................................................................................. 24 Bebidas fermentadas .................................................................................................. 25 Bebidas proteicas ........................................................................................................ 25 Bebidas tipo-leche ....................................................................................................... 25 Bebidas tipo refresco................................................................................................... 26 El uso de suero de leche en confitería ..................................................................... 26 Uso del suero en productos farmacéuticos ............................................................. 28 Jarabe de lactosa de suero hidrolizada ................................................................... 28 Fermentación del suero .............................................................................................. 28 El suero y la producción de metano ......................................................................... 30 Fraccionamiento de los componentes del suero .................................................... 30 Diferentes tratamientos del suero ............................................................................. 31 Recuperación de finos de caseína y separación de grasa ................................... 31 Concentración del suero ............................................................................................. 33 Secado del suero ......................................................................................................... 33 Recuperación de proteínas ........................................................................................ 34 Recuperación de proteínas por medio de la ultrafiltración (UF)........................... 34 Desengrasado del concentrado de proteínas de suero......................................... 37 Recuperación de las proteínas desnaturalizadas del suero ................................. 37 Aislamiento cromatográfico de lactoperoxidasa y lactoferrina ............................. 39 Procesos de recuperación de proteínas no comerciales ...................................... 41 Recuperación de lactosa ............................................................................................ 41 Proceso de cristalización ............................................................................................ 41 Separación de la lactosa ............................................................................................ 42 Secado de la lactosa ................................................................................................... 43 Refinamiento de la lactosa ......................................................................................... 43 Desmineralización del suero (desalinización) ......................................................... 44 1 Principios de la desmineralización ............................................................................ 44 Desmineralización parcial por nanofiltración ........................................................... 44 Desmineralización de alto grado ............................................................................... 45 Principio de operación................................................................................................. 45 Factores limitantes en la electrodiálisis.................................................................... 46 Conversión de la lactosa ............................................................................................ 46 Hidrólisis enzimática de la lactosa ............................................................................ 47 Hidrólisis ácida ............................................................................................................. 48 Conclusiones y comentarios ...................................................................................... 48 Referencias................................................................................................................... 49 2 Introducción En la industria quesera, el principal subproducto generado corresponde al suero de leche. El suero de leche, puede ser definido como el líquido remanente luego de la separación de la cuajada, al momento de hacer queso, o también al separar la caseína luego de la coagulación de ésta. El queso, retiene cerca del 80% de proteínas de la leche, dichas proteínas son principalmente caseínas, y el 20% restante permanece en el suero, por lo cual dichas proteínas, en su conjunto, son denominadas proteínas séricas o comercialmente denominadas “whey proteins”. El queso, además de proteínas, contiene entre un 20 a 30% de grasa dependiendo del tipo de queso elaborado, sin embargo, aún queda grasa remanente en el suero de leche. Por último, la concentración de lactosa que permanece en el suero de leche es igual o muy similar a la concentración de lactosa presente en la leche de partida para la elaboración del queso. Todo esto, nos lleva a pensar que el suero de leche en vez de ser considerado como un desperdicio, debe ser considerado como fuente rica en materias primas y cada uno de sus componentes debe ser aprovechado de alguna forma, ya sea para la elaboración de nuevos productos alimenticios como para su uso en áreas totalmente distintas, como por ejemplo, la producción energética. Bajo este contexto, a continuación se dan a conocer las propiedades del suero de leche y el uso que actualmente se da a cada uno de sus componentes, incluyendo detalles técnicos de los procesos, equipos o maquinarias utilizadas, procesos alternativos y estudios recientes de procesos aún no incorporados en la industria. 3 Tipos de suero de leche y sus componentes El suero de leche como se mencionó anteriormente, es el residuo líquido de la producción de queso y caseína y es uno de los más grandes reservorios de proteína alimenticia que actualmente no ha alcanzado su punto máximo de aprovechamiento. Este suero comprende entre un 80 a 90% del volumen total de leche procesada para la fabricación de queso o caseína y contiene cerca del 50% de los nutrientes originales de la leche: proteínas solubles, lactosa, vitaminas y minerales. Existen principalmente 2 tipos de suero: el suero “dulce” y el suero “ácido”. El suero dulce, se genera al elaborar el queso mediante el uso de enzimas proteolíticas o “cuajo”, las cuales actúan sobre las caseínas de la leche y las “cortan” o “rompen”, haciendo que estas se desestabilicen y precipiten, todo esto bajo condiciones específicas de temperatura (15-50ºC), ph levemente ácido (5,9-6,6) producto de la incorporación de cultivos lácteos y iones calcio. La principal enzima utilizada para realizar esto, es la quimosina o renina. Esta enzima es propia del aparato digestivo de los rumiantes, por eso, antiguamente esta enzima se obtenía a partir del estómago de estos animales. Actualmente esta enzima es producida a partir de síntesis bioquímica evitando usar el estómago de terneros como materia prima. Por otro lado como se mencionó anteriormente, está el suero “ácido”. Este suero se genera mediante la precipitación ácida de la caseína. Esta precipitación se realiza disminuyendo el ph de la leche a un valor de 4,5 a 4,6. A este ph, se alcanza el punto isoeléctrico de la mayoría de las caseínas presentes; en este punto, la carga eléctrica neta de la proteína es igual a cero, lo cual produce que la micela de caseína se desestabilice y precipite, dejando en solución solamente las proteínas de tipo séricas. De acuerdo a esto, a continuación se muestra una tabla con la composición típica del suero de leche “dulce” y “ácido”. 4 TABLA 1. Composición porcentual del suero dulce y el suero ácido. Constituyente Suero dulce Suero ácido Sólidos totales 6,4 6,5 Agua 93,6 93,5 Grasa 0,05 - 0,37 0,04-0,27 Proteína 0,6-1,0 0,6-0,8 Lactosa 4,6 - 5,2 4,4-4,6 Minerales 0,5 0,8 Calcio 0,043 0,12 Fósforo 0,040 0,065 Sodio 0,05 0,05 Potasio 0,16 0,16 Cloro 0,11 0,11 Ácido láctico 0,05 0,4 Como se puede observar, los macro nutrientes permanecen casi en las mismas proporciones en ambos sueros. Las principales diferencias se observan al comparar las cantidades de calcio y ácido láctico, estando en mayor proporción en el suero ácido, lo cual indica en el caso del calcio, que el queso “ácido” posee menos calcio que el queso “dulce”. Por otro lado, la mayor cantidad de ácido láctico en el suero “ácido” tiene que ver con la forma de acidificación de la leche para la precipitación de la caseína ya que una forma de alcanzar el pH 4,6 es agregando ácidos orgánicos como por ejemplo, ácido láctico. El aumento de ácido láctico también se ve favorecido por el aumento de los cultivos lácteos presentes en la leche que a pH ácido, se ve incrementado su crecimiento y por ende una mayor producción de ácido láctico por parte de estos microorganismos. El suero de leche entonces, independiente del tipo que sea, posee valiosos componentes desde el punto de vista nutricional. Por otro lado, dichos componentes, si no son aprovechados o tratados adecuadamente pueden significar un gran foco de contaminación ambiental, debido a la gran materia orgánica presente en ésta. En ese sentido, la lactosa es el principal agente contaminante del suero de leche, ya que se encuentra a una concentración de aproximadamente 50 gramos por litro y su poder contaminante, se establece mediante dos parámetros principalmente: la demanda biológica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO). En síntesis, el primer parámetro mide el grado de contaminación del efluente (en este caso suero) cuantificando el oxígeno requerido por determinados microorganismos para poder oxidar el efluente en cuestión, mientras mayor sea el oxígeno requerido por los microorganismos, mayor será el nivel de contaminación del residuo. Asimismo, la DQO hace referencia a la cantidad de materia orgánica 5 susceptible a ser oxidada por medios químicos, al igual que la DBO, a mayor oxígeno utilizado en la oxidación del residuo, mayor es su nivel de contaminación. Usualmente la DQO tiende a ser el doble del valor de la DBO. De acuerdo a lo anterior, se hace aún más necesario poder aprovechar el suero de leche. Usos del suero de leche A continuación, en la tabla 2 se muestran algunos ejemplos de utilización de este subproducto, en base a los distintos tratamientos previos que pueden realizarse para su utilización como materia prima. 6 Uso Suero Concentrado de suero o polvo. Concentrado proteico de suero o en polvo Lactosa Líquido Natural Endulzado Desmi- neralizado Despro- teinizado Delac- tosado Desmi- neralizado Delac- tosado Desminerali-zado y delactosado Cruda Refinada Alimento animal X X X X X Consumo humano: Alimento bebés X X X X X Alimento dietético X X X X X X Salchichas X X Sopas X X X Panadería X X X X Aderezo ensaladas X X X Quesos X X Bebidas X X X Productos farmacéuticos X Productos de levadura X Productos industriales X X TABLA 2. Usos del suero de leche. Como se puede observar, el suero de leche, dependiendo del proceso al cual se ha sometido previamente puede ser utilizado en diversas áreas. Pero cabe destacar el gran campo en el ámbito del consumo humano. Respecto a esto, es muy importante evaluar qué tipo de procesamiento del suero es más factible para la planta generadora de suero, ya que algunos de estos procesos sólo son rentables si la planta en cuestión posee una masa crítica de producción debido a que las maquinarias en sí, están diseñadas para procesar una cierta cantidad de suero y si esta cantidad es insuficiente, los costos operacionales (dejando de lado el costo capital asociado a la compra del equipamiento), hacen imposible la rentabilidad del proyecto. Otro factor importante a evaluar, además de los gastos operacionales, es por supuesto el producto final a elaborar. No es lo mismo vender suero en polvo solo, que vender un producto elaborado, utilizando como materia prima suero en polvo. 7 Teniendo esto en cuenta, se detallará a continuación, cada uno de los usos del suero presentados en la tabla anterior. El suero como alimento animal Alimentar a los cerdos con suero líquido data desde la antigua Roma. Antes de la segunda guerra mundial, las mayores salidas de suero desde la granja en Europa y los Estados Unidos eran para alimentar a los porcinos. Esto tiene lógica, debido a que ya en esos tiempos la mayoría de las granjas queseras también criaban cerdos. A partir de ese momento ambas industrias, la quesera y la porcina, se volvieron más especializadas y comenzaron a distanciarse físicamente de tal forma, que ya no era factible utilizar el suero para la alimentación de porcinos debido a los costos de transporte de este líquido. En la actualidad, se ha renovado el interés en cuanto al uso del suero para este propósito y no sólo para la alimentación de los cerdos, sino también para la alimentación del ganado vacuno, principalmente por las presiones en cuanto a la prevención de la contaminación ambiental causada al verter el suero en caudales de ríos o lugares donde esto no está permitido o está mal visto por la opinión pública. Para las plantas pequeñas, secar el suero puede resultar costoso debido a las bajas cantidades producidas. En este caso venderlo, o incluso regalarlo puede resultar favorable para la planta quesera. Suero líquido para los cerdos Estudios en Winsconsin, Illinois y California (Estados Unidos), indican que los cerdos que pesan sobre 45 Kg. tienen excelentes ganancias de peso cuando son alimentados solamente con suero y cebada o trigo. El promedio de suero consumido promedia los 8,4 Kg/día, mientras que el consumo de trigo promedio es de 3,5 Kg/día. Para los cerdos jóvenes, se requiere de un suplemento protéico adicional para balancear la ración alimenticia. Los granjeros europeos, a menudo engordan a sus cerdos con suero y papas cocidas con pequeñas cantidades de granos y suplementos proteicos. Las tasas de crecimiento son usualmente aceptables para el consumo de hasta un 20% de materia seca en suero. Un mayor consumo de suero a veces, podría causar diarrea. Sin embargo, rara vez los cerdos consumen mas del 20% en peso seco de su alimento en suero, incluso cuando este sea su única fuente de líquido. 8 Suero líquido para el ganado En las universidades de Utah, Vermont y USDA, Estados Unidos, los investigadores han logrado exitosamente alimentar con suero a las vacas en período de lactancia. La producción de leche no se vio afectada cuando se reemplazó toda o parte del agua de alimentación por suero. Las vacas que recibieron el suero como su única fuente de líquido, incorporaron un 29% de su masa seca en forma de suero. Se estimó que una vaca en lactancia puede consumir el suero promedio producido por 3 a 5 vacas. Cuando el suero es la única fuente de líquido, las vacas consumen cerca de 90 kg/día de suero versus los 64-78 Kg/día cuando el agua es proporcionado “ad libitum” (hasta saciedad). Estudios en Utah y Vermont, Estados Unidos, mostraron que el consumo de heno se reduce en un 0,7 a 1 kg/día por cada kilogramo de sólidos de suero consumido. El consumo de suero por lo tanto, reduce significativamente el consumo de agua u otros nutrientes tanto para el ganado como para los cerdos. De esta forma, reduciendo los gastos en alimentación de estos animales y por ende, aumentando las utilidades al momento de comercializar sus derivados. El suero, como base para formulaciones infantiles Durante las pasadas décadas, ha crecido un enorme interés en cuanto al mejoramiento del rendimiento biológico y nutricional de la leche que es modificada para asemejarse a la humana y así, ser usada en formulaciones infantiles. Para esto, los ingredientes de la leche bovina son aislados y adaptados usando la leche humana como referencia. La composición de la leche bovina, aunque difiere en muchos aspectos en relación a la leche humana, todavía es la principal fuente nutritiva para las fórmulas infantiles. Comparaciones entre la composición de la leche humana y la bovina revelan que la leche bovina tiene una mayor cantidad de caseína y minerales que la humana. Una de las primeras implementaciones fue entonces, suplementar la leche bovina con suero de leche desalinizado o con concentrado proteico de suero de leche desalinizado para producir fórmulas infantiles que estén basadas principalmente en proteínas de suero de leche. La razón o proporción entre caseína y proteínas séricas es entonces reducida de 80:20 en la leche bovina a 40:60, en las fórmulas infantiles. En estas fórmulas, la caseína puede estar presente ya sea como micelas de caseína o como caseinato, dependiendo de los requerimientos de calcio o fósforo. En la leche bovina, cerca de un 44% del fosfato inorgánico está asociado con las micelas de caseína como fosfato de calcio. Un consumo excesivo de fósforo puede causar 9 hipocalcemia (baja concentración de calcio en la sangre) en bebés recién nacidos. En estos casos por lo tanto, se aconseja reemplazar la leche bovina por formulas basadas en caseinato de calcio y proteínas séricas. La manipulación en las proporciones de caseína, a proteínas de suero, diluye los sólidos remanentes en la leche, por lo tanto esos nutrientes específicos esenciales deben ser agregados. El contenido de nitrógeno no proteico debe ser adaptado, especialmente cuando el concentrado proteico de suero o WPC (whey protein concentrate) ha sido utilizado como fuente de proteína. La lactosa debe ser añadida y la composición de ácidos grasos tiene que ser alterada para alcanzar el máximo contenido de grasas no saturadas. También, el contenido mineral requiere de adaptaciones para poseer una carga osmolar indicada. Algunos elementos trazas (hierro, cobre, y manganeso) son suplementados, y las vitaminas tienen que ser añadidas. En cuanto a la composición de la leche humana y bovina, las diferencias más notables, a pesar de que los contenidos en sólidos totales sean similares, la leche bovina tiene cerca de 7 veces más caseína y 3 veces más de contenido mineral que la leche humana. La remoción del superávit de contenido de caseína y minerales de la leche bovina incrementa el contenido en lactosa desde un 50% por sobre el 75% en cuanto a sólidos libres de grasa, lo cual se aproxima al de la leche humana. El siguiente recuadro, muestra con más detalle las diferencias en cuanto a la composición entre la leche de vaca y la leche humana: 10 Recuadro 1 Como se puede observar en el recuadro, las mayores diferencias entre ambos tipos de leche se encuentran, como se mencionó anteriormente, en cuanto al porcentaje de caseína, lactosa, sales minerales, y específicamente, diferencias en la proporción de proteínas encontradas. Hay que destacar, que la proteína beta-lactoglobulina no se encuentra en la leche materna, por lo tanto, sería de gran utilidad extraer esta proteína, de las proteínas totales del suero de leche, para una posterior formulación infantil en base a este. A modo de introducción al tema de la extracción de proteínas del suero de leche (que se verá más adelante) y aprovechando que se ha mencionado que existen diferencias en cuanto a las proporciones encontradas en la leche humana y la bovina, es necesario describir entonces en estos momentos, las principales propiedades de las proteínas presentes en el lacto- suero, para luego continuar en el contexto de los usos del suero de leche. 11 Proteínas del suero de leche Las proteínas del suero de leche pertenecen al grupo de proteínas de más alta calidad disponible para uso comercial. La calidad de la proteína del suero de leche se debe a que contiene una mayor concentración de aminoácidos de cadena ramificada (BCAA por sus siglas en inglés) y de aminoácidos esenciales que otras fuentes de proteína. Además, la proteína del suero de leche contiene varios péptidos (cadenas de aminoácidos más pequeñas que una proteína) y fragmentos de proteína que pueden fomentar el bienestar y la salud en general. A continuación se muestran las principales propiedades de cada una de las proteínas que componen en su conjunto a las proteínas del suero de leche: TABLA 3. Proteínas del suero de leche y sus propiedades Proteína de suero de leche Porcentaje Propiedades Beta-lactoglobulina 50-55% Proteina con un peso molecular de aproximadamente 18.000 Daltons. Fuente rica en aminoácidos esenciales y cadena ramificada. Alfa-lactalbúmina 20-25% Con un peso de aproximadamente 14.000 Daltons. Principal proteína encontrada en la leche humana. Fuente rica en aminoácidos esenciales y de cadena ramificada. Inmunoglobulinas 10-15% Con un peso de aproximadamente 150.000 Daltons. Principal proteína encontrada en el calostro. Posee propiedades inmunoreguladoras Lactoferrina 1-2% Con un peso de 77.000 daltons. Es Antioxidante, antivírico, antibacteriano, antifúngico. Promueve el crecimiento de bacterias benéficas. Naturalmente encontrada en leche materna, lágrimas, salivas y sangre. Lactoperoxidasa 0,5% Con un peso molécular de 78.000 Da. Inhibe el crecimiento bacteriano. Albúmina de suero bovino 5-10% Proteína de 66.000 daltons, fuente rica en aminoácidos esenciales. glicomacropéptido 10-15% Pesa 8.600 daltons. Fuente de aminoácidos de cadena ramificada, carece de aminoácidos aromáticos (triptófano, fenilalanina y tirosina), por lo tanto, buena fuente proteica para fenilcetonúricos (no pueden consumir fenilalanina). 12 El suero y su uso en productos dietéticos Uno de los principales componentes del suero de leche utilizado para la elaboración de productos dietéticos, son sus proteínas. Las proteínas séricas han mostrado tener propiedades beneficiosas por ejemplo, en la presión arterial, propiedades insulinotrópicas y en la regulación del consumo energético de las personas mediante regulaciones hormonales en el tracto digestivo. Ahora bien, todas las formulaciones para los productos dietéticos deben contener bajas cantidades de sodio, ya que este, promueve la retención de líquidos en el cuerpo y por lo tanto un aumento de peso en la persona. Por otro lado, también es recomendable que sea bajo en lactosa, debido a la gran cantidad de personas que son intolerantes a esta, lo cual, puede causar rechazo al momento de su consumo. A continuación se detallarán las principales propiedades de las proteínas del suero, las cuales, resultan muy atractivas a la hora de elaborar un producto dietético. Propiedades insulinotrópicas de las proteínas lácteas De las proteínas de la leche, las del suero son las que generan una mayor concentración de insulina pre-comida, a diferencia de la caseína, y probablemente es la proteína que posea el segretagogo más predominante ya que el área de insulina bajo la curva luego de comer 25 g de carbohidratos con 18,2 g de proteína de suero es de un 50% más alto que luego de comer queso o tomar leche. La adición de proteína de suero a las comidas que contienen carbohidratos de asimilación rápida, estimula a mayores concentraciones de insulina en el plasma (más del 57% luego de comer) y reduce la glucosa sanguínea postprandial (21% a los 120 minutos) en sujetos con diabetes de tipo 2. Los aminoácidos son los principales contribuyentes al efecto insulinotrópico de las proteínas del suero. Sujetos sanos que han ingerido mezclas de leucina, isoleucina, valina, lisina y treonina (aminoácidos) resultaron en respuestas glicémicas e insulinémicas similares a aquellas producidas por la ingesta de proteínas de suero, sugiriendo, que los aminoácidos de cadena ramificada son los mayores determinantes para la insulinemia como también la baja en la glicemia causada por la ingestión de suero. Sin embargo, la ingesta de aminoácidos de cadena ramificada no estimulan la respuesta de incretina (hormona que estimula la secreción de insulina), mientras que las bebidas a base de suero sí lo hacen, sugiriendo que la acción del suero no está relacionada solamente a los aminoácidos presentes en él sino también, por la presencia de péptidos derivados de las proteínas del suero. Por lo tanto, se postulan 2 vías por las cuales se genera un aumento de insulina en la sangre al consumir proteínas de suero. La primera vía, estaría 13 relacionada con los aminoácidos ingeridos, y la otra vía, relacionada con los péptidos bioactivos presentes. Las proteínas del suero y la regulación en la ingestión de alimentos El efecto de las proteínas en la ingestión de alimentos es dependiente de la fuente de la cual se obtiene dicha proteína. El efecto de las proteínas de suero en la ingesta de alimentos a corto plazo en humanos, es más poderosa (después de la caseína) que la proteína de soya y la albúmina de huevo. Sin embargo, el efecto de la fuente es modificada por muchos factores, incluyendo la dosis, forma (sólida o líquida) y la formulación del tratamiento, así como también la presencia o ausencia de otros macro nutrientes, y en el caso del suero, la cantidad de GMP (glicomacropéptido). Por ejemplo, 45 g de proteína de suero con un 15% de GMP suprimió con mayor intensidad la ingesta de alimento que la albúmina de huevo y la proteína de soya en hombres jóvenes luego de 60 minutos, al momento de comer pizza cuando las proteínas fueron proveídas solas en una bebida endulzada. Sin embargo, el suero (menos de 5% de GMP) y caseína (50 g) afectaron de forma similar en la reducción de la ingesta de pizza luego de los 90 min. A los 150 minutos después del consumo, la caseína tuvo un efecto supresor superior en relación al suero. Por otro lado, el consumo previo de un líquido conteniendo 48 g de suero (contenido de GMP no especificado) con carbohidratos, resultó en una baja en la ingesta ad libitum de una comida buffet luego de los 90 minutos, en comparación con un consumo previo de la misma cantidad de caseína y carbohidratos. La contribución de componentes individuales del suero, derivados de la caseína en la regulación de la ingesta de alimentos, también es de gran interés. El CMP (caseíno macro péptido), proteína precursora del GMP (glicomacropéptido), es un derivado de la caseína generado por la acción de la quimosina al momento de hacer queso dulce y que forma parte de las proteínas o fracción peptídica del suero. Hace más de 20 años, se mostró que el GMP puede influenciar las funciones gastrointestinales mediante la inhibición de las secreciones gástricas y estas acciones pueden ser mediadas vía hormonas peptídicas como la colecistoquinina (CCK), una potente señal de saciedad. La actividad de tipo CCK por parte del GMP ha sido confirmada por estudios consecutivos. Sin embargo, no ha tenido efectos en la saciedad subjetiva ni tampoco en la ingesta de alimento después de 60 minutos luego de haber ingerido 100 mL de soluciones con 0,4 o 2% de CMP. Los autores de estos estudios sugieren que la falta de efecto ha sido debido a la inadecuada concentración de CMP, el tiempo de la administración de CMP, o la 14 heterogeneidad de las preparaciones de CMP testeadas, especialmente en su contenido de GMP. La clasificación de las proteínas de suero como “proteínas rápidas”, y de las caseínas como las “proteínas lentas”, es consistente con los efectos que poseen a nivel de la ingesta de alimentos en humanos. Se ha demostrado que el suero reduce más la ingesta alimenticia a los 90 minutos pero que la caseína la reduce aún más luego de los 150 min. Las proteínas de suero luego de su ingestión, pasan rápidamente a través del estómago y llegan al yeyuno en forma intacta, mientras que la liberación de caseína desde el estómago se ralentiza debido al ambiente ácido en este y por el cual se forman coágulos de caseína. Luego de la hidrólisis peptídica, los péptidos son liberados al intestino delgado. En esta zona, se ha observado que la hidrólisis de las proteínas de suero es lenta en comparación con otras proteínas, y que su digestión y absorción, ocurren a lo largo de todo el intestino. Sin embargo, basado en las concentraciones aminoacídicas en el plasma sanguíneo, está claro que la digestión de estas proteínas y su absorción es más rápida en comparación a la caseína. Por último, hay que destacar a los aminoácidos involucrados en el control de la ingesta alimenticia, estos son principalmente la leucina y el triptófano. La leucina es el aminoácido que más rápido llega al cerebro desde el torrente sanguíneo, y se ha demostrado que ejerce su efecto en la inhibición de la ingesta de alimentos a nivel del hipotálamo. En cuanto al triptófano, este aminoácido es el precursor de la serotonina, la cual se ha demostrado que ejerce supresión del apetito a determinadas concentraciones. En conclusión, el suero tiene potencial como ingrediente en las formulaciones dietéticas y en los alimentos funcionales, teniendo como objetivo principal, el controlar el apetito y el peso corporal, y en el manejo de las consecuencias metabólicas del exceso de grasa corporal. El rol de las proteínas individuales del suero y sus péptidos, aún permanece poco claro. Los efectos fisiológicos del suero podría estar mediado por péptidos de proteínas específicas del suero, o aminoácidos o por acciones sinérgicas entre ellos, posiblemente potenciados por otros constituyentes de la leche. Sin embargo, los efectos favorables del suero en la ingesta de alimento, saciedad subjetiva y los mecanismos reguladores en la ingesta en humanos han sido usualmente observados en experimentos a corto plazo donde los componentes son consumidos en cantidades más altas que las encontradas usualmente en productos lácteos. Por esto, todavía permanece en la incertidumbre si el consumo usual de los productos lácteos tiene un efecto directo en la saciedad a pesar de la energía que ellos contienen y si el suero contribuye a la asociación encontrada entre el consumo de productos lácteos y el peso corporal. 15 Las proteínas de suero como ingredientes esenciales en productos alimenticios Las proteínas de suero poseen propiedades fisico-químicas muy interesantes al momento de generar productos alimenticios texturizados. Aparte de poseer un valor nutritivo excepcional, una de las características más atractivas de estas proteínas es la capacidad emulsionante que poseen, es decir, la capacidad para incorporar glóbulos de grasa en una solución. En la tabla 4 se pueden apreciar los distintos alimentos modelos en los cuales se utilizan proteínas de suero, y las funcionalidades que esta proteína cumple en dicho alimento. TABLA 4. Propiedades de las proteínas de suero en la producción de alimentos (9) Alimento Funcionalidades de la proteína de suero Pan Absorción de agua, adhesión-elasticidad Queque Unión de agua, cohesión, elasticidad, emulsificación, espumante. Crema para café Emulsionante, estabilizante. Fórmula infantil Emulsificación, estabilidad térmica. Pasta Cohesión, absorción, absorción de agua. Budín Emulsificación, unión a agua, gelatinización, elasticidad. Aderezo de ensaladas Emulsificación, elasticidad. Salchichas Unión de agua, cohesión-adhesión, emulsificación, adsorción de grasa. Crema batida Emulsificación, espumante, adsorción de agua. Como se puede apreciar en la tabla, una de las principales propiedades de estas proteínas, en cuanto a la elaboración de alimentos se refiere, es la de emulsificar y estabilizar. El suero de leche y la elaboración de pan En la elaboración de pan, el suero puede ser usado directamente reemplazando al agua, con esto, se ahorran los gastos de agua y se agregan nutrientes adicionales al producto. Por otro lado, lo más utilizado es el suero en polvo, el cual es añadido como complemento a la harina para la elaboración del pan, de esta forma se genera un pan más nutritivo (mayor cantidad de proteínas) y con propiedades organolépticas distintas al pan tradicional. De 16 acuerdo a esto, se puede seguir diversificando el producto, a medida que el suero en polvo utilizado posea otras características, como por ejemplo, desmineralizado o utilizando solamente un concentrado de proteínas de suero en polvo. Productos cárnicos La utilización de concentrado de proteína de suero de leche al 80% en los sistemas de carne procesada se está incrementando debido a las actitudes desafiantes de los consumidores, los procesadores y las agencias reguladoras (Estados Unidos). Los concentrados de proteína de suero de leche se utilizan como sustitutos parciales de carne, aglutinantes, intensificadores de sabor, emulsionantes, ingredientes de salmuera y análogos de carne que contribuyen a la nutrición, al sabor y a las propiedades funcionales críticas. La mayoría de las aplicaciones del concentrado de proteína se encuentra en el área de molido grueso, productos de carne de músculo entero y triturado. Estos son parcialmente utilizados para incrementar la producción de cocción, reducir la eliminación del producto, reducir los costos de formulación, mejorar la textura del producto o intensificar el sabor del producto. Productos de carne triturada (emulsionada) y molido grueso Típicamente, alrededor de 1-2% del concentrado de proteína de suero al 80% se utilizan en productos de carne triturada en una base prehidratada dependiendo del tipo de producto, lo cual resulta en ahorros sustanciales son reducir la calidad nutricional o de palatabilidad. Los concentrados de proteína de suero de leche se utilizan en carnes emulsionadas (por ejemplo, mortadela y salchichas) por su humedad y aglutinamiento de grasa, emulsionante y propiedades de emulsión-estabilizadoras. Estas propiedades hacen que el concentrado proteico sea ideal para utilizarse en productos de molido grueso como barra de carne, hamburguesas y embutidos. Aplicación en hamburguesas de carne de res bajas en grasa WPC80 (proteína de suero concentrada al 80%) a un nivel del 4% puede utilizarse de manera efectiva como un ingrediente funcional en hamburguesas de carne de res bajas en grasa debido a sus propiedades emulsificantes y de gelación por calor. Las hamburguesas de carne de res molida bajas en grasa (10-11% de grasa) formuladas con 10% de agua, 0,5% de sal y 1-4% de 17 WPC80 muestran un incremento en la producción de cocción y reducción de encogimiento con incremento en los niveles de WPC sobre las hamburguesas de carne de res sin WPC. La adición de 4% de WPC en combinación con 10% de agua produjo la cocción más alta (125% del control alto en grasa) comparado con los controles más altos de contenido en grasa. La adición de 0,3% de tripolifosfato intensifica la efectividad de WPC en términos de textura, al mismo tiempo que la adición de alrededor de 1% de lactosa (proveniente del suero) mejora el perfil del sabor y las propiedades sensoriales generales de las hamburguesas de carne de res bajas en grasa. El análisis sensorial indica que el nivel de 4% de WPC es el nivel óptimo con respecto a lo jugoso y la aceptación general de las hamburguesas de carne de res bajas en grasa. Salchichas/hot dogs/embutidos bajos en grasa La utilización de WPC en salchichas/hot dogs pueden contribuir a una imagen más saludable debido al perfil bajo en calorías, mejoría en el contenido de proteínas y un nivel más bajo de ácidos grasos saturados en el producto terminado. Debido a que la demanda en el mercado de productos cárnicos procesados reducidos en grasa es el foco de muchos esfuerzos de desarrollo, los productos de carne bajos en grasa deben percibirse por los consumidores como un valor económico bueno con un sabor deseable. Está bien establecido que la disminución en el contenido de grasa incrementa de manera significativa la pérdida en la cocción en los embutidos. Los investigadores han evaluado el efecto del nivel de grasa (5% y 12%) del almidón de tapioca y del WPC35 en las propiedades de hidratación/aglutinamiento, características del colo, textura y propiedades sensoriales de las salchichas. Han reportado que la adición del 3% de almidón de tapioca y 3% de WPC a las fórmulas de las salchichas disminuyó significativamente la pérdida de cocción tanto en los niveles de grasa del 5% como en el 12%, pero comparado con el almidón de tapioca, los WPC redujeron la pérdida de cocción adicionalmente a 5% de los niveles de grasa, esto sugiere que los WPC son más efectivos que el almidón de tapioca en la reducción de pérdida en la cocción a niveles de reducción de grasa inferiores. Al reducir el contenido de grasa de los embutidos puede disminuirse significativamente la estabilidad de emulsión sin los aglutinantes de agua correctos. La adición de WPC incrementa significativamente la estabilidad de emulsión tanto a 5% como a 12% de los niveles de grasa. Se sabe que los productos con reducción de grasa requieren un alto contenido de proteínas para la estabilidad de emulsión y los efectos benéficos de las proteínas del suero de leche pueden mejorarse con niveles de utilización más altos. La mortadela baja en grasas es más estable cuando se formula con 13% de 18 proteína comparado con un 11% de proteína, debido a la capacidad incrementada de la proteína que encapsula la grasa para formar una emulsión estable, sugiriendo que las proteínas del suero de leche afectan el porcentaje de la grasa liberada de la emulsión. Se sabe también que la grasa tiene influencia en el color de los productos cárnicos, reduciendo el nivel de grasa de 12 a 15% se disminuye la ligereza e incrementa el rojo de los embutidos. En contraste, la adición de WPC incrementa la ligereza y disminuye tanto el color rojo como el amarillento. Los investigadores también han establecido que al reducir los niveles de grasa de 12% a 5% a niveles constantes de proteína, disminuyen significativamente la cohesión y lo gomoso de las salchichas, por no afecta significativamente la dureza, resorte, adhesión y masticación. Las salchichas reducidas en grasa liberan compuestos de sabor más rápidamente que las salchichas más altas en grasa. Por lo tanto, un sustituto ideal de la grasa debe retener los compuestos de sabor con la matriz de comida y liberarlos a una tasa comparable a sus contrapartes con grasa completa. Se ha demostrado que el WPC no afecta la tasa de liberación de sabor de las salchichas bajas en grasa, sugiriendo que el WPC puede ser un sustituto efectivo de la grasa. El suero de leche y su uso en la elaboración de quesos Uno de los productos más conocidos y el cual aprovecha las proteínas y otros componentes del suero de leche es el queso Ricotta (o simplemente Ricotta). Este queso se manufactura principalmente mediante la coagulación de las proteínas del suero por acción del calor y de ácidos orgánicos. Dado que las proteínas del suero, al igual que la gran mayoría de las proteínas, se denaturan en presencia de altas temperaturas, estas pierden su estructura, haciendo que se expongan sitios hidrófobos en la solución, lo cual, genera en consecuencia la aglomeración y precipitación de las proteínas en cuestión, todo esto en un ambiente ácido cercano al punto isoeléctrico de las proteínas. A menudo, en la elaboración de este queso se le agrega leche, para mejorar su consistencia y también para aumentar el rendimiento de la producción. A continuación se muestran los pasos a seguir para la elaboración de la ricotta: 1- Recepción del suero y determinación de la acidez. Una vez que se produce la separación del suero de la cuajada, en la elaboración de queso, comienza la recepción del suero. Este se debe mantener a 22° C mientras se concluye el proceso del queso, de este modo aumentara la acidez del producto. 19 2- Incorporación de leche entera. Se debe aumentar el contenido de sólidos del suero, para ello se adiciona cerca de un 3% de leche entera, de este modo se aumentará el rendimiento de la ricotta a un 7% aproximado (o sea, por cada 10 litros de suero, se agregaran 300 ml de leche entera). 3- Calentamiento. La mezcla se calienta hasta 85-90° C, se debe agitar constantemente. 4- Adición de ácidos orgánicos o suero ácido. Si se alcanzaron los 85-90° C y no se produce la precipitación de las proteínas (ricotta) en forma de pequeños copos blancos, es conveniente adicionar ácido acético diluido en agua (3 veces su volumen) y agregar 0.2% del volumen total del suero. En caso de no contar con ácido acético se puede incorporar vinagre o jugo de limón en pequeñas cantidades (2 cucharadas soperas por 30 litros de suero), ya que pueden afectar el sabor del producto. Otro mecanismo de acidificación del suero es agregando suero acidificado. Este último se prepara antes de empezar la producción, se toma una cantidad de suero (1 litro por ejemplo) y se mantiene a 40 – 45° C hasta alcanzar los 140 – 150° Thorner. Bajo estas condiciones, se incorpora en el suero a una razón de 1 a 2 litros por 100 litros de suero para la producción. 5- Coagulación de la proteína. Es posible que no se necesite adicionar ácidos orgánicos o suero fermentado, ya que si se mantiene a 22° C el suero por un moderado periodo de tiempo se obtendrá una buena acidez (23°Thorner o pH 4,7) y al llegar a los 85° C de temperatura de calentamiento se producirá la coagulación de las proteínas. 6 Separación de la ricotta. Como se mencionó anteriormente, se observará la formación de pequeños copos blancos correspondientes a proteína coagulada. Se detiene la agitación y utilizando filtros o coladores se separan los sólidos del líquido. 7- Acondicionamiento de la ricotta. Para la elaboración de queso (salado) a la ricotta debe agregarse un 2-3% de su peso en sal, además de especias como semillas de sésamo, orégano, ciboulette, ajo, pimentón, o mezclas de ellos, si se requiere. Por otro lado, si la 20 ricotta elaborada es con fines de repostería, se debe adicionar azúcar no más de un 5%. 8- Enfriamiento. Rápidamente se debe enfriar a temperaturas inferiores a 5° C y superiores a 1° C, se recomienda 3° C, cuidando de no congelar. 9- Almacenamiento y consumo. La temperatura de almacenamiento es de 3° C y se debe procurar consumir rápidamente, ya que el producto tiene una vida útil de no más de 5 días. Como alternativa para incrementar su período de consumo, la ricotta puede someterse a varios procesos. Cuando esta es prensada, salada y puesta a secar, se obtiene la ricotta salata, similar a un queso duro. Ahumada, da lugar a la ricotta affumicatta, de color ligeramente pardo y sabor característico. Ligeramente horneada, se obtiene la ricotta infornata, típica de la región mediterránea. Un largo proceso de salado y acidificación controlada produce la ricotta scanta, ligeramente amarga, intensa y picante. Como producto final se obtiene un queso rico en proteínas. En la tabla 5 se observa una comparación entre los constituyentes del queso ricotta fresco y el prensado TABLA 5. Composición del Queso Ricotta fresco y prensado Por último, cabe destacar los avances que se han realizado en cuanto al mejoramiento en la elaboración de este producto. Últimamente se ha evaluado la posibilidad de hacer ricotta solamente con proteínas de suero obtenidas mediante procesos de ultrafiltración, de esta forma, es posible aumentar la porción proteica del queso disminuyendo también la fracción grasa de este. Por otro lado, también se ha considerado hacer queso dulce agregando concentrados proteicos de suero a la leche, ya que al momento de coagular la caseína, esta también atrapa proteínas del suero, por lo tanto, si estas proteínas son aumentadas en el proceso, el queso generado si bien poseerá 21 propiedades físicas distintas (más blando), contendrá mayor cantidad de estas proteínas. Elaboración de bebidas a base de suero de leche. Muchos autores han sugerido que el suero puede ser utilizado en la formulación de refrescos nutritivos o en bebidas con alto contenido proteico como también ser utilizado como aditivo en sopas y en jugos de frutas. El uso del suero de leche como bebida en la nutrición humana, especialmente para fines terapéuticos, data desde la antigua Grecia; Hipócrates, en el año 460 antes de Cristo prescribía suero para una variedad de enfermedades humanas. En la edad Media, el suero era recomendado por muchos médicos para variadas enfermedades también, y, por la mitad del siglo 19 remedios de suero alcanzaron un gran auge con el establecimiento de más de 400 casas de elaboración de suero en el Oeste de Europa. Luego en los 1940 en los spas de Europa Central, la anemia, uremia, artritis, gota, enfermedades al hígado en incluso la tuberculosis eran tratadas con la ingestión de hasta 1500 gramos de suero por día. La literatura disponible indica que las bebidas de suero han sido estudiadas extensamente en Alemania y el Este de Europa. A continuación se detallarán las bebidas a base de suero que se han manufacturado desde inicios del siglo 20 hasta la fecha. Bebidas a base de suero de leche entero El método más barato y más eficiente para preparar una bebida a base de suero es mediante el drenaje del suero desde la tinaja de queso, luego pasteurizarlo, desodorizarlo si es necesario, darle sabor apropiadamente, y empacarlo para su posterior consumo. En 1898, Graeff patentó un proceso simple en donde el suero era calentado, desairado, y cargado con dióxido de carbono y formaldehído bajo presión. En 1913m Jolles describió la preparación de un refresco “saludable” a partir del suero de leche. El suero se decolora y desodora con carbón activado y se esteriliza mediante la adición de ácido. Sales, medicamentos, y/o dióxido de carbono puede ser añadido para producir una bebida final. El sabor del suero, particularmente el del suero ácido, es más compatible con los sabores cítricos, en particular con el sabor a naranja. Se han desarrollado 22 muchas bebidas con sabor a cítricos, para las cuales se ha tenido una alta aceptabilidad en el consumidor, desde suero cottage a suero tipo cheddar. Meyer describe bebidas y tinturas preparadas mediante la mezcla de suero y jugos de frutas. Sin embargo, el las consideraba más como agentes medicinales en vez de productos para el consumo diario. Un producto desarrollado en Michigan (State University) llamado “O-way”, fue visualizado como un alimento de desayuno el cual incorporaba suero ácido y dulce y jugo de naranja. Un volumen de concentrado de jugo de naranja fresco se mezclaba con 4 volúmenes de suero desodorizado, para luego ser empacado. El producto contenía 0,7 a 1% de proteína, los autores sugerían que la bebida podría ser carbonatada y venderse como un refresco nutritivo. Investigadores en la Universidad de Arizona (Estados Unidos), combinaron 25 a 40% de suero con zumo de fruta de uva y 7 a 20% de otras frutas y probaron esas bebidas enviándolas a casas como productos estériles en conserva. La combinación de suero-uva-durazno recibió un puntaje de sabor de 5,9 de una escala hedónica de 1 a 7. Una segunda serie de de bebidas, usando jugo de uva, suero, y 3% de jugo de granadilla también tuvo una buena aceptación en los estudios preliminares. Por otro lado, una bebida con sabor a naranja conteniendo un 33% de suero cottage obtuvo un puntaje de 6,3 por 51 sujetos que la probaron mientras que la bebida sin suero obtuvo un puntaje de 4,7. Otras bebidas aceptables, conteniendo entre un 80 a 90% de suero y saborizadas con 10% de puré natural de frutillas o 20% de puré natural de durazno también recibieron puntajes aceptables por los panelistas. Una bebida basada en suero Cheddar se formuló en la Universidad Estatal de Mississipi. Este producto se preparó mezclando suero, azúcar, concentrado de naranja, ácido cítrico, y otros ingredientes para dejar la solución a pH 3.8 y con un contenido de sólidos totales de 16.5% en el producto final, para el cual, se dijo que su vida media era de por lo menos 14 días a 5, 10, o 22ºC. Un total de 956 consumidores de todas las edades probó la bebida de estos el 76.5% la catalogó como aceptable. Una nueva bebida basada en suero, llamada Freís, fue desarrollada por la empresa Suiza Verbandsmolkerei. Este producto contenía cerca del 50% de suero purificado, azúcar, agua, y sabores naturales de naranja con limón y notas de uvas. La mezcla de suero fue uperizada a 90ºC y empacada asépticamente en Tetra Paks de 250 mL. Ya que la acidez de la bebida era alta, se necesitó una baja temperatura para su esterilización, la vida media fue según se reportó de 6 meses sin refrigeración. B. H. Webb describió el desarrollo de una bebida o sopa fría generada mediante la mezcla de jugo de tomate y suero dulce. El producto contenía 65% de jugo de tomate, 34.6% de suero dulce fresco, crema de suero y 0,4% de sal. Esta mezcla tenía un pH de 4,3 a 4,5 y contenía 2,5% de grasa de leche. Después de su homogenización a 175,8 Kg/cm2, el producto fue enlatado y esterilizado. La separación de fases durante el período de almacenamiento fue muy leve. 23 Laessing preparó un concentrado de bebida para ser diluida en agua. La mezcla estaba compuesta de suero fermentado congelado que contenía un 5% de ácido láctico más un 1,3 veces su peso en sucrosa. Luego de mantener esta mezcla a 100°C para producir la inversión del azúcar y la reducción de la contaminación microbiana, el concentrado estaba listo para su uso. Laessig sugirió añadir jugos de frutas o saborizantes. Otro concentrado de suero congelado fue desarrollado el cual, al ser diluido en una proporción 1:3 con gingerale, etc. Podría ser utilizado como bebida de fiesta. El producto, del cual por lo menos la mitad del líquido era suero dulce, era similar al concentrado de jugo de naranja y reportó no tener sabor a suero. Un interesante producto también fue descrito por Prekopp, este producto se llamaba Zincica, y era a base de suero de leche de oveja, el cual era calentado hasta que las proteínas coagularan, el coágulo era agitado vigorosamente de vuelta en el líquido hasta que quedara totalmente mezclado. Luego de añadir sal, la mezcla era consumida fría o incluso tibia. Besserezhnov describió un proceso simple para preparar una bebida con sabor a yogurt. Esta bebida se hacía con suero dulce pasteurizado al cual se le inoculaba un 10% de cultivos consistentes en Lactobacillus bulgaricus, L. acidophilus, L. helveticus, L. casei, y Streptococcus thermophilus. Luego de 24 horas de incubación, el producto era enfriado y empacado. Bebidas a partir de suero desproteinizado El método más popular para desproteinizar suero es mediante su calentamiento hasta alcanzar cerca de los 90°C en combinación con la acidificación del líquido. Las proteínas coaguladas del suero son removidas por filtración o centrifugación, y el sobrenadante líquido clarificado es procesado para la producción de la bebida. El ácido tanínico, o extractos de hoja de hierbas que contengan grandes cantidades de taninos, o jugos de fruta natural que contengan taninos son también eficientes para la precipitación de proteínas, particularmente en conjunto con el calor. Muchas de las bebidas en base a suero se han hecho con procedimientos similares. Bebidas no fermentadas Bernstein, patentó un proceso en donde las proteínas de suero coaguladas por calor, eran removidas del suero acidificado por filtración. El filtrado clarificado reportó mantenerse en buenas condiciones luego de ser esterilizado. Una patente solicitada por Mauroy describía un proceso en el cual el suero era condensado a 2/3 de su volumen original y luego era neutralizado a pH 7 antes 24 de la clarificación por calor. El filtrado fue utilizado como una base para bebidas suaves. Otra patente describe una bebida la cual puede mantenerse en buen estado durante 3 a 6 meses. El suero clarificado es endulzado con una solución saborizada de sucrosa que contenía ácido tartárico y cítrico, para luego ser embotellado y esterilizado. Por otro lado, una bebida llamada Detskii fue hecha añadiendo jarabe de azúcar y jugo de zanahoria al suero desproteinizado. La mezcla luego se pasteurizó y embotelló. La bebida no contenía menos de 20% de sólidos totales, 15% de azúcar y el pH no mayor a 4. Bebidas fermentadas Se denominó Rivella a una infusión de hierba de los alpes; espumosa, clara y cristalina, tuvo su primera aparición en Suiza en 1952. Rivella fue preparada fermentando suero desproteinizado con bacterias ácido lácticas, luego se filtra y condensa en una proporción de 7:1 del volumen original, se le agrega azúcar y sabores, luego se re-filtra, se diluye y se inyecta dióxido de carbono luego de que el producto sea pasteurizado y embotellado. La bebida final contiene un 9,7% de sólidos totales, 0,125% de nitrógeno total y con un pH de 3,7. Veinte a 30 millones de litros son vendidos anualmente. Bebidas proteicas Las bebidas ricas en proteínas ofrecen una posibilidad atractiva para el uso del suero, ya que estas bebidas son muy populares y tienen bastante aceptación. Estas bebidas caen en dos grupos: aquellas que son consideradas como tipo- leche y aquellas bebidas que son similares a los refrescos. Bebidas tipo-leche Un ejemplo es la bebida que formuló Bodmershof, en la cual se mezcló un 40% de leche ácida, un 50% de suero y un 10% de jugo de fruta. Esta preparación fue embotellada bajo 7 N/m2 de dióxido de carbono y reportó mantenerse en buenas condiciones por varios meses. 25 Bebidas tipo refresco El desarrollo de nuevas técnicas de fraccionamiento del suero, como la ultrafiltración, filtración en gel, electrodiálisis, o combinaciones de estos métodos a dado lugar a la producción de concentrados con un alto contenido de proteína y de aislados de proteína deshidratados. Dichos concentrados o aislados son especialmente útiles a la hora de elaborar bebidas con proteínas de suero. Hace un par de décadas, una bebida con sabor a naranja dominó el mercado norte americano, y fue probado en Brasil. Este producto, llamado Tai, contenía un 1,5% de proteína y se elaboró en base a un concentrado proteico preparado por osmosis reversa. Holsinger y sus asociados, fortificaron las bebidas normales existentes con aislados de proteína de suero generados por ultrafiltración seguido de filtración en gel, evaporación en vació y secado por atomización. Ellos demostraron que las bebidas carbonatadas pueden ser fortificadas hasta en un 1% con proteína de suero sin que la apariencia ni el sabor se vieran afectados, eso sí, cuando las proteínas no están denaturadas. Estos aislados de proteína también pueden ser utilizados para fortificar los populares tónicos tipo “ade”. La comercialización a gran escala dependerá de los costos de concentración de la proteína no denaturada. El uso de suero de leche en confitería Debido a que existen muchos productos en este rubro, a continuación se mostrará un cuadro resumen, con las principales aplicaciones del suero de leche, ya sea entero, como el uso de sus componentes, en este caso, proteínas y lactosa. 26 CUADRO 1. Niveles de uso recomendados para las proteínas de suero en productos de confitería. Nivel de uso recomendado Producto Suero dulce Suero desmin WPC34 WPC80 WPI90 Lactosa Beneficio esperado Chocolate de leche (1) - 0-5% 0-5% - - 3-7% Costo beneficio Desarrollo de sabor Mejora en el color Recubrimientos compuestos (1) - 0-20% 0-20% - - 3-7% Funciona- lidad Costo beneficio Desarrollo sabor y color Caramelo (1) Duro Moldeable Fluido 0-4% 0-2% 0-2% 0-4% 0-2% 0-2% 0-7% 0-5% 0-5% - - - Modifica- ción de la textura Costo beneficio Desarrollo de sabor y color Turrón - - 0-1% - 0-3% - Costo beneficio Mejor textura, calidad y vida media Dulce de leche (2) - 0-5% 0-5% - - - Funciona- lidad Costo beneficio Mejor color y sabor Barras nutritivas (1) - - 0-20% 0-35% - Calidad nutricional Funciona- lidad (1) % en formula final (2) % de sólidos totales sin grasa 27 Uso del suero en productos farmacéuticos Uno de los componentes más abundantes en el suero es la lactosa. La lactosa dadas sus características físico-químicas sirve como un buen excipiente en el área farmacéutica. Esto quiere decir, que la lactosa puede ser utilizada para el recubrimiento de fármacos. Jarabe de lactosa de suero hidrolizada Un área que ha recibido un gran interés en ser investigado (pero con un éxito comercial muy precario) es el uso del suero para producir jarabes de lactosa hidrolizada. Desdoblando la molécula de lactosa en glucosa y galactosa, ya sea con lactasa libre o inmovilizada, se espera solucionar el principal problema del suero, que es, su poca utilización en cuanto a alimentos se refiere, como así también añadir valor agregado a la materia prima de fermentación en comparación al suero no hidrolizado. Con una hidrólisis parcial de la lactosa, los problemas de cristalización de ésta en los alimentos serían mucho menores. En algunas aplicaciones, como al hacer pan, la lactosa hidrolizada produce un producto más deseable en comparación con la sucrosa. Con un sabor doblemente más dulce que la lactosa, el jarabe de lactosa hidrolizada es un endulzante bajo en calorías. Los humanos y animales intolerantes a la lactosa podrían consumir este jarabe sin ningún problema. Los microorganismos que no pueden fermentar la lactosa podrían fermentar la lactosa hidrolizada, permitiendo así, generar una amplia variedad de productos. Fermentación del suero En la tabla 6 se señalan las fermentaciones que pueden ser realizadas por distintos microorganismos, ya sea en el suero o en el permeato de suero (sin proteínas) y los productos que se pueden obtener debido a estas fermentaciones. 28 TABLA 6. Productos obtenidos al fermentar componentes del suero de leche. Producto Organismo Medio Proteína unicelular Kluyveromyces fragilis, Rhodopseudomonas spha- eroides/Bacillus megaterium Kluyveromyces marxianus Candida pseudotropicalis Permeato suero dulce Permeato suero ácido Suero + extracto levadura Alcohol K. fragilis K.marxianus Permeato de suero de queso cottage Permeato de suero ácido Levadura de panadería Saccharomyces thermophilus y cerevisiae Permeato de suero dulce + licor de maíz Ácido láctico Lactobacillus helveticus, delbrueckii. Bacterias homolaticas Permeato de suero ácido + extracto levadura Ácido acético Propionato Streptococcus lactis ssp. lactis Clostridium formicoacet. Propionibacterium acidipropionici Permeato de suero + Extracto de levadura Permeato de suero Polisacáridos Propionibacterium sp. Suero dulce suplementado Aceite Apiotrichum curvatum Candida curvata Permeato de suero Enzimas Aspergillus niger Lactosa B-galactosidasa Candida pseudotropicalis Suero + extracto levadura Acetona-butanol Clostridium acetobutylicum Permeato de suero + extracto levadura Lisina Escherichia coli mutante Suero Vitamina B12 Propionibacterium sp. Propionibacterium shermanii Suero ácido Ácido cítrico A. Niger Permeato de suero Ácido L-ascórbico Candida norvegensis mutante Permeato suero dulce Glicerol K. fragilis K. marxianus Permeato de suero Antocianinas Ajuga reptans Permeato de suero suplementado Insecticidas Bacillus thuringensis Suero dulce Goma Xanthan Xanthomonas campestris Permeato de suero hidrolizado y extracto lev. Si bien existen muchos productos en la tabla, los que poseen mayor potencial comercial, son el alcohol y el ácido láctico. El alcohol, como ya se sabe es un buen combustible (bioetanol). Sin embargo, hay que tener en cuenta los costos asociados a la producción de este, ya que, el bioetanol tiene un 99,9% de pureza por esta razón se debe invertir mucho en equipos de destilación normal y azeotrópica. Aún así, este combustible emite menos contaminantes al ser 29 consumido y por lo tanto posee un potencial muy grande como fuente de energía renovable. Por otro lado, está la producción de ácido láctico, este ácido al pasar por reacciones de polimerización genera un polímero biodegradable, el ácido poliláctico, el cual puede ser utilizado para la elaboración de plásticos ecológicos. El suero y la producción de metano El suero al poseer una gran cantidad de materia orgánica, puede ser utilizado para la producción de metano. El metano es un gas natural, el cual, puede ser utilizado para la generación de energía, ya sea calórica por la misma combustión de este o eléctrica mediante generadores que utilicen este gas. Los principales factores que influyen en la generación de metano por parte de los organismos metanogénicos en cualquier tipo de sustrato son la temperatura, el pH y la cantidad de oxígeno presente. La metanogénesis ocurre en un ambiente anaeróbico, por lo tanto hay que cuidar que en esta etapa exista la menor cantidad de oxígeno presente en la reacción. Por otro lado, debido a que existe un consorcio de microorganismos degradando la materia orgánica, la temperatura ideal del proceso estaría situada entre los 25 a 50 °C. Se sabe que a mayor temperatura, aumenta la velocidad de producción de metano, bajando los tiempos de retención. Por otro lado, todo este proceso puede dividirse en dos etapas, la etapa ácida, y la metanogénica. De acuerdo a esto, pueden diseñarse bioreactores de una o más etapas. Estudios en Turquía (año 1999) lograron un rendimiento de 0.55 m3 de biogás por Kg de Demanda química de oxígeno (DQO) removida, en un bioreactor de 2 etapas. En esa instancia, ellos contaban con un suero que poseía 20 gr de DQO/litro de suero. Por lo tanto 100 litros de ese suero generarían 1,1 m3 de biogás. Fraccionamiento de los componentes del suero En vista de todos los usos que pueden darse al suero de leche, es de suma importancia conocer los procesos llevados a cabo para poder separar cada uno de los componentes de este líquido y poder darles el uso apropiado. 30 A continuación en el esquema número 1 se pueden observar las alternativas en el procesamiento del suero. Dichos procesos serán explicados con mayor detalle en las páginas siguientes. Esquema 1: Alternativas en el procesamiento del suero. Diferentes tratamientos del suero El suero debe ser procesado tan pronto como sea posible después de su recogida, ya que su temperatura y composición promueven el crecimiento de bacterias. Si no es así, el suero debe enfriarse rápidamente hasta unos 5ºC para detener eventualmente el crecimiento bacteriano. Recuperación de finos de caseína y separación de grasa En el suero siempre se encuentran presentes finas partículas de caseína. Estas tienen un efecto adverso en el proceso de separación de la grasa, por 31 eso deben ser separadas en primer lugar. Para ello, se utilizan diversos tipos de dispositivos, tales como ciclones, separadoras centrífugas, o filtros rotativos. En cuanto a la recuperación de la grasa se utilizan separadoras centrífugas, cuyo principio de separación radica en la diferencia de densidades entre la fase orgánica (grasa) y la fase acuosa (el resto del suero sin finos de caseína), al ser menos densa la grasa, al ser centrifugada se va depositando en la parte superior de la solución para luego ser descargada. Los finos de caseína a menudo se prensan de la misma manera que el queso, tras lo cual se pueden utilizar en queso fundido y, tras un período de maduración, también en cocción. La nata de suero, a menudo con un contenido de grasa del 25-30%, puede ser reutilizada en la fabricación de queso para la normalización de la leche para queso. Esto permite que se utilice la correspondiente cantidad de nata fresca en productos especiales a base de nata. En la figura 1 se muestra el proceso de separación de finos y grasa del suero de leche. Figura 1. Recuperación de finos de caseína y nata del suero. 32 Concentración del suero La concentración del suero se realiza a vacío en un evaporador de película descendente con dos o más efectos. Desde mediados de los años 70 se han venido utilizando evaporadores de hasta 7 efectos, con el objetivo de de compensar el aumento en los costos energéticos. En la mayor parte de los evaporadores también se han introducido los sistemas de compresión térmica y mecánica del vapor para reducir aún más los costos de evaporación. En muchas industrias se han instalado plantas de ósmosis reversa (o inversa) de diseño tubular para efectuar una preconcentración antes de que el suero se devuelva a las granjas o se envíe a un evaporador donde se realizaría la concentración final. Después de alcanzar un contenido en sólidos totales del 45-60%, el concentrado se enfría rápidamente hasta unos 30ºC en un intercambiador de calor de placas, y se pasa a un depósito encamisado (con tres camisas) para su posterior enfriamiento a 15-20ºC acompañado de una constante agitación. Dicha agitación debe continuar durante 6-8 horas con el objetivo de obtener cristales de las menores dimensiones posibles, que pueda dar lugar a un producto no higroscópico (que no absorba agua) cuando se seque por atomización. El suero concentrado es una solución sobresaturada de lactosa y, bajo ciertas condiciones de temperatura y concentración, la lactosa puede algunas veces cristalizar antes de que el suero abandone el evaporador. Con concentraciones de superiores al 65% de sólidos totales, el producto puede volverse tan viscoso que no pueda fluir. Secado del suero Básicamente, el suero se seca de la misma forma que la leche, es decir, en secadores de tambor o atomizadores. La utilización de secadores de tambor presenta un problema: es difícil de rascar la capa de suero seco que se forma sobre la superficie de dicho tambor. Por ello, se procede a mezclar antes del secado, el suero con salvado de trigo o centeno para facilitar el rascado del producto seco. En la actualidad, el método más utilizado para el secado del suero es la atomización. Antes de ser secado, el concentrado de suero se suele someter a un tratamiento térmico, tal como se ha indicado anteriormente, con el fin de formar pequeños cristales de lactosa, lo que hace que se obtenga un producto no higroscópico, que no tiene tendencia a formar grumos cuando absorbe humedad. 33 El suero ácido, es difícil de secar debido a su alto contenido en ácido láctico. Tiene tendencia a formar grumos y aglomerados en el atomizador. Para facilitar el secado de este tipo de suero se puede proceder a su neutralización o a la adición de productos tales como leche desnatada y productos derivados de los cereales, aunque este tipo de suero no se procesa actualmente. Recuperación de proteínas Las proteínas del suero de leche se aislaban originalmente por medio del uso de distintas técnicas de precipitación, pero actualmente se utilizan los procesos de separación por membranas y procesos cromatográficos, además de las técnicas de precipitación y formación de complejos. El proceso más extensamente utilizado en la separación de las proteínas del suero es la desnaturalización por calor. La proteína precipitada a causa de este proceso es o bien insoluble o escasamente soluble dependiendo de las condiciones que prevalecen durante la desnaturalización. Se denominan a estas proteínas de suero precipitadas por calor PSPC o “centriwhey”. Frink y Kessler (1988) indicaron que se puede alcanzar una proporción máxima de desnaturalización de proteína de suero del 90% para todas las fracciones desnaturalizables. La fracción peptona proteosa, que conforma el 10% de las proteínas del suero, se considera no desnaturalizable. Las proteínas propias del suero, como constituyentes del suero en polvo, se pueden producir fácilmente mediante un secado cuidadoso del suero. Debido a su desfavorable composición, estas proteínas tienen sólo una aplicación limitada en alimentos (sólo tienen un 11% de proteína y un alto contenido de lactosa y cenizas). Por lo anterior, se ha desarrollado el asilamiento de las proteínas de suero. Estas proteínas obtenidas por separación con membranas o intercambio iónico tienen unas buenas propiedades funcionales, solubilidad, formación de espuma, formación de emulsiones y gelificación. Recuperación de proteínas por medio de la ultrafiltración (UF) Los concentrados de proteínas de suero tienen un muy buen perfil de aminoácidos con altas proporciones de lisina y cisterna asimilable. Los concentrados de seroproteínas se presentan como polvo fabricado mediante el secado del retentato proveniente de la ultrafiltración del suero. Estos concentrados se describen en términos de su contenido en proteína, % de proteína sobre materia seca, oscilando entre un 35-85%. Para fabricar un producto con un 35% de proteína, el suero líquido se concentra (al pasar por el 34 sistema de ultrafiltración) unas 6 veces hasta un contenido de sólidos totales aproximadamente del 9%. En la concentración se retiene la mayoría de las proteínas puras, normalmente sobre el 99%, junto con casi el 100% de la grasa. La concentración de lactosa, nitrógeno no proteico (NNP) y cenizas son las mismas en el retentato y en el permeato, como en el suero inicial., aunque parece que tiene lugar una ligera retención de estos componentes. Las cifras de retención global, sin embargo dependen mucho de: . El tipo de membrana (tamaño de poro, y material) . El caudal . El carácter del alimento (prediluido con agua, preconcentrado tras desmineralización, etc.) En la tabla número 7 se puede observar la composición del lactosuero, del retentato y el permeato obtenidos en el proceso de ultrafiltración para la obtención de un concentrado proteico con un 35% de proteínas. TABLA 7. Balance de masas en un proceso de ultrafiltración de suero. Componente Peso en 100 Kg de suero Peso en 17 Kg de retentato Peso en 83 Kg de permeato Kg % Kg % Kg % Proteína 0,55 0,55 0,55 3,24 0 0 Lactosa 4,80 4,80 0,82 4,82 3,98 4,80 Cenizas 0,80 0,80 0,14 0,82 0,66 0,80 NNP 0,18 0,18 0,03 0,18 0,15 0,18 Grasa 0,03 0,03 0,03 0,18 0 0 Masa seca total 6,36 6,36 1,57 9,24 4,79 5,78 Por otro lado, para obtener un concentrado con un 85% de proteína, el suero líquido se concentra primero unas 20-30 veces mediante ultrafiltración hasta un contenido de sólidos de aproximadamente 25%. Este valor se considera como el máximo para una operación económica. Es entonces necesario diafiltrar el concentrado para eliminar más lactosa y cenizas y aumentar la concentración de proteína con relación a la materia seca total. La diafiltración es un proceso en el que el agua se añade al alimento conforme se realiza la filtración con el fin de lavar los componentes de bajo peso molecular que pasarán a través de la membrana, básicamente lactosa y sales minerales. 35 En la figura 2 se muestra una línea de proceso para la fabricación de proteína en polvo utilizando la UF. Aproximadamente el 95% del suero se recoge como permeato, de forma que se pueden obtener en el producto seco concentraciones de proteínas tan altas como 80-85% (calculadas sobre contenido de masa seca) Figura 2. Línea de proceso para fabricar proteína en polvo utilizando UF. De acuerdo al tipo de proceso por el cual es sometido el suero, el proceso de ultrafiltración puede generar distintos tipos de concentrado proteico. En la tabla 8 se puede observar la composición en % de algunos concentrados de proteína de suero. TABLA 8. Composición de algunos concentrados proteicos de suero. Producto 1 2 3 4 Proteína en materia seca 35 50 65 80 Humedad 4,6 4,3 4,2 4,0 Proteína cruda 36,2 52,1 63,0 81,0 Proteína 29,7 40,9 59,4 75,0 Lactosa 46,5 30,9 21,1 3,5 Grasa 2,1 3,7 5,6 7,2 Cenizas 7,8 6,4 3,9 3,1 Ácido láctico 2,8 2,6 2,2 1,2 36 Especificación del producto: 1. Sustituto de leche desnatada, 35% de proteína en materia seca 2. Suplemento proteico para otros alimentos, 50% de proteína en materia seca 3. Límite práctico de proteína obtenida sólo mediante ultrafiltración, 65% de proteína en materia seca 4. Producto de ultrafiltración más diafiltración, 80% de proteína en materia seca. Desengrasado del concentrado de proteínas de suero El concentrado de proteínas de suero con grasa en polvo, conteniendo un 80- 95% de proteína sobre materia seca, es una opción muy interesante para algunas aplicaciones. Por ejemplo, para reemplazar la clara de huevo en productos batidos, tales como merengues, y como ingrediente en distintos alimentos y bebidas de frutas (visto en páginas anteriores). El tratamiento del retentato de suero a partir de una planta de UF en una planta de microfiltración (MF) puede reducir el contenido de grasa del concentrado en polvo desde el 7,2% hasta menos del 0,4%. La microfiltración también concentra las membranas de los glóbulos de grasa y la mayoría de las bacterias en el retentato de MF, que se recoge y se elimina de forma separada. El permeato microfiltrado, desengrasado se envía a una segunda planta de UF para una posterior concentración. Esta etapa también incluye diafiltración. Recuperación de las proteínas desnaturalizadas del suero De forma general, se puede decir que las proteínas del suero no pueden ser precipitadas por el cuajo o por ácidos. Sin embargo, es posible precipitar dichas proteínas con ácidos si primero se desnaturalizan por calor. El proceso se divide en dos etapas: - Precipitación (desnaturalización) de las proteínas por medio de una combinación de tratamiento térmico y el ajuste de pH. - Concentración de las proteínas por separación centrífuga. Las proteínas desnaturalizadas del suero pueden mezclarse con leche destinada a la elaboración de quesos antes de la aplicación del cuajo; son entonces retenidas en la estructura formada por las moléculas de caseína durante la coagulación. Este descubrimiento hizo que se realizaran intensos esfuerzos con el objeto de encontrar un método de precipitación y separación 37 de las proteínas del suero, así como una técnica para optimizar el rendimiento, conservando las características del queso en lo referente a aroma y textura. En la figura número se muestra el proceso llevado a cabo para la recuperación de proteínas de suero dsnaturalizadas. Figura 3. Recuperación de proteínas de suero por desnaturalización Como se puede observar en la figura, después de un ajuste del pH, el suero se bombea a través de un depósito intermedio hasta un intercambiador de calor de placas donde se calienta de forma generativa. La temperatura del suero aumenta hasta unos 90-95ºC por medio de inyección directa de vapor antes de su paso a una sección tubular de mantenimiento con un tiempo de mantenimiento de 3-4 minutos. Durante esta etapa, se introduce ácido en el suero para reducir el valor de su pH. El ácido utilizado puede ser orgánico o inorgánico (por ejemplo ácido láctico o ácido clorhídrico de grado alimenticio), según se estipule. Aquellas proteínas que pueden ser, y han sido, modificadas por el calor precipitan en unos 60 segundos en la sección tubular de mantenimiento. Después de un enfriamiento regenerativo a unos 40ºC, las proteínas precipitadas se separan de la fase líquida en una centrífuga clarificadora de eyección de sólidos. La máquina descarga las proteínas acumuladas a intervalos de unos 3 minutos en la forma de un concentrado a 12-15% en sólidos del cual un 70% de estos es proteína pura. Con este método, se consigue una recuperación de proteínas coagulables del 90-95%. 38 Aislamiento cromatográfico de lactoperoxidasa y lactoferrina En general, el uso de los agentes bioactivos es de gran interés en los productos como alimentos infantiles, alimentos sanos, cremas para la piel y pasta de dientes. Ejemplos de tales componentes son las proteínas bioactivas lactoperoxidasa (LP) y lactoferrina (LF) que se presentan como componentes minoritarios en el suero, normalmente del orden de 20 mg/L de LP y 35 mg/L de LF. La Swedish Dairies Association ha desarrollado un proceso patentado basado en la cromatografía para el aislamiento de estas proteínas a partir de suero de fabricación de queso a escala industrial. El principio básico sobre el que se desarrolló el proceso es el hecho de que tanto la LP como la LF tienen puntos isoeléctricos en la zona alcalina de pH, 9,0-9,5, lo que significa que estas proteínas están cargadas positivamente a pH normal del suero dulce, mientras que el resto de las proteínas del suero, como la beta lactoglobulina, alfa lactoalbúmina y la albúmina de suero bovino están cargadas negativamente en el mismo rango de pH. Un proceso básicamente deseable para el aislamiento de LP y LF será entonces hacer pasar el suero por resinas de intercambio de cationes diseñadas especialmente para la adsorción selectiva. Las moléculas de LP y LF se fijarán a los grupos funcionales cargados negativamente del intercambiador de cationes por interacción de carga, dando lugar a la fijación de estas moléculas en la resina de intercambio iónico, mientras que las otras proteínas del lactosuero pasan debido a su carga negativa. Para hacer industrialmente viable el proceso, se han de satisfacer algunos criterios básicos. Uno de ellos es la necesidad de suero “libre de partículas”, para mantener un caudal elevado durante la fase de carga, ya que tienen que pasar grandes volúmenes de suero por la resina de intercambio iónico para conseguir la saturación. La microfiltración de flujo cruzado con un tamaño de poro de 1,4mm operada bajo una presión transmembranar uniforme (PTU) ha probado ser una técnica adecuada para conseguir un suero libre de partículas. Se mantiene fácilmente un flujo estable de 1200-1500 L/m 2 h durante 15-16 horas. Este tipo de pretratamiento del suero evita el aumento progresivo posterior de presión sobre la columna de intercambio iónico. La resina de intercambio iónico tiene una capacidad de adsorber 40-45 gramos de LP y LF por litro de resina antes de que ocurra la colmatación. Con un volumen de lecho de resina de 100 litos se pueden tratar unos 100.000 litros de suero por ciclo. Con la elección apropiada de las condiciones de elusión de las proteínas bioactivas adsorbidas sobre la columna es posible obtener fracciones muy 39 puras de LP y LF. En este paso se utilizan soluciones salinas de diferente concentración. Las proteínas en el eluyente se presentan en una forma débilmente concentrada, del orden del 1% en peso. De esta manera, el paso de intercambio iónico concentra la LP y LF por un factor de casi 500 si se compara con el suero inicial. El posterior procesado del eluyente mediante UF y diafiltración da lugar a un producto de proteína muy puro, con una pureza de aproximadamente el 95%. Finalmente, tras una filtración esterilizante en una planta de MF de flujo cruzado con poros de 0,1-02 micrómetros, los concentrados de proteína son secados por atomización. Todo este proceso se resume en el esquema 2 que se presenta a continuación. Esquema 2. Obtención de Lactoferrina y Lactoperoxidasa mediante intercambio iónico. 40 Procesos de recuperación de proteínas no comerciales Han sido investigados numerosos otros procedimientos para aislar proteínas, sin embargo, todavía no se sabe si alguno de estos procedimientos se ha llevado a la práctica comercialmente. Los métodos reportados hasta la fecha incluyen: precipitación con carboximetilcelulosa, sales de hierro, alcohol, taninos, ácido poliacrílico, lauril sulfato de sodio (SDS), bentonita, bentonita y lignosulfonato, quitosano; co-precipitación con proteínas vegetales, ultracentrifugación, extracción con glicerol, con oxido de calcio y enzimas. Recuperación de lactosa La lactosa es el principal constituyente del suero. Según el tipo de materia prima, se pueden utilizar dos métodos para la recuperación de esta sustancia: - Cristalización de la lactosa en suero sin tratar, pero concentrado. - Cristalización de la lactosa en suero desproteinizado por ultrafiltración o por algún otro método antes de la concentración. Ambos métodos dan lugar a unas melazas que pueden ser secadas y utilizadas como pienso. El valor del pienso puede aumentarse considerablemente si las melazas son desalinizadas y si se procede a la adición de proteínas de alta calidad. Proceso de cristalización El ciclo de cristalización está determinado por los siguientes factores: - Superficie de cristal disponible para el crecimiento - Pureza de la solución - Grado de saturación - Temperatura - Viscosidad - Agitación de los cristales en solución Varios de estos factores están relacionados entre sí, por ejemplo el grado de saturación y la viscosidad. El proceso de cristalización de la lactosa comienza por la concentración del suero por evaporación hasta un contenido de masa seca del 60-62%, pasando 41 entonces a los depósitos de cristalización donde se añaden semillas de cristales que actuarán como núcleos de cristalización. La cristalización tiene lugar de forma lenta, de acuerdo con un programa prefijado de tiempos y temperaturas. Los depósitos tienen camisas de enfriamiento y equipo para el control de la temperatura de enfriamiento. También están equipados con agitadores especiales. Después de la cristalización, la melaza de cristales pasa a decantadores centrífugos para la separación de los cristales, que luego son secados hasta alcanzar la forma de polvo, y después se muelen, normalmente en un molino de martillos, se tamizan y la lactosa se envasa. Para conseguir una separación simple y eficaz de los cristales de lactosa del licor madre, la cristalización debe hacerse de forma que el tamaño de dichos cristales sea superior a 0,2 mm, ya que cuanto mayor sean, mejor se puede efectuar la separación de los mismos. El grado de cristalización viene en principio determinado por la cantidad de beta-lactosa convertida a la forma buscada de alfa-lactosa, por lo que el enfriamiento del concentrado debe ser controlado y optimizado de forma cuidadosa. Separación de la lactosa Se pueden utilizar varios tipos de centrífugas para la recogida de los cristales de lactosa. Así, se emplean decantadoras centrífugas horizontales, que trabajan de forma continua y tienen un tornillo transportador para la descarga de la lactosa. Se instalan dos máquinas en serie. La lactosa de la primera es vuelta a procesar en la segunda, con objeto de conseguir una separación más eficiente. Durante la separación, las impurezas de la lactosa se eliminan por lavado, de forma que se obtiene un alto grado de pureza. El contenido residual de humedad de la lactosa después de la segunda etapa de separación es inferior al 9%, y la lactosa pura representa cerca del 99% de los sólidos totales secos. En la figura 4 se muestra una decantadora centrífuga utilizada comúnmente para el proceso de separación de los cristales de lactosa. 42 Figura 4. Decantadora centrífuga. Secado de la lactosa Después de la separación se procede al secado de la lactosa hasta alcanzar un contenido residual de humedad del 0,1-0,5%, dependiendo de la utilización que se le vaya a dar al producto. La temperatura durante el secado no debe superar los 93ºC, ya que se forma beta-lactosa a temperaturas superiores. El tiempo de secado debe ser también tomado en cuenta. Durante el secado rápido tiende a formarse una delgada capa de lactosa amorfa (no cristalina o sin forma) sobre los cristales alfa-hidratos, lo que puede dar lugar posteriormente a la formación de grumos. El secado se realiza normalmente en un secador de lecho fluidizado. La temperatura se mantiene a 92ºC y el tiempo de secado es de 15-20 minutos. El transporte del azúcar seco se realiza por aire a una temperatura de 30ºC, que a su vez enfría al azúcar. Los cristales se muelen hasta la forma de polvo inmediatamente después del secado y, a continuación, se envasan. Refinamiento de la lactosa En algunas aplicaciones, como en los procesos de fabricación de farmacéuticos, es necesario un más alto grado de pureza. Por ello, la lactosa utilizada en estas aplicaciones debe ser refinada después de su obtención. Durante el proceso de refinamiento, la lactosa se redisuelve en agua caliente hasta una concentración del 50%. Al mismo tiempo se añade carbón activo, fosfato y un agente filtrante. Después de la filtración, la solución de lactosa 43 pasa al depósito de cristalización, donde se realiza nuevamente este proceso. La lactosa es entonces separada, secada, molida y envasada. Desmineralización del suero (desalinización) Como el suero tiene un contenido relativamente alto de sal, alrededor del 8- 12% calculado sobre peso seco, su aplicación como ingrediente en alimentos humanos es limitada. Por medio de la desmineralización del suero se pueden abrir varios campos de aplicación del mismo, como suero parcialmente desmineralizado (25-30%) o suero muy desmineralizado (90-95%). El suero concentrado parcialmente desmineralizado se puede utilizar por ejemplo en la fabricación de helados de crema y productos de panificación (visto anteriormente), mientras que el concentrado de suero muy desmineralizado, en polvo o no, se puede utilizar en formulaciones de alimentos infantiles y, desde luego, en un amplio abanico de otros productos. Principios de la desmineralización La desmineralización implica la eliminación de sales inorgánicas junto con cierta reducción de iones orgánicos como lactatos y citratos. La desmineralización parcial se basa principalmente en la utilización de membranas de flujo cruzado especialmente diseñadas para retener especies de partículas que tienen un radio en el rango de nanómetros. Este tipo de filtración se denomina nanofiltración (NF). El elevado grado de desalinización del suero puede obtenerse mediante la técnica de electrodiálisis. Desmineralización parcial por nanofiltración Por medio del uso de membranas de osmosis reversa de poro muy pequeño, y especialmente diseñadas, pequeñas partículas como ciertos iones monovalentes, por ejemplo sodio, potasio, cloruro, y pequeñas moléculas orgánicas como urea y ácido láctico, pueden escapar a través de la membrana junto con el permeato acuoso. Este proceso de membrana se conoce por distintos nombres, tales como ultraósmosis y nanofiltración. Debido a que son más compactas, las membranas enrolladas en espiral son las que más a menudo se utilizan en las nuevas instalaciones de hoy en día (desde 1994). 44 La reducción de cloruro en el suero dulce por este proceso puede ser tan alta como del 70% y en cuanto al sodio y potasio la reducción puede ser del 30- 35%. La razón de esta diferencia en la eliminación de iones es la necesidad de mantener un equilibrio electroquímico entre iones negativos y positivos. Un aspecto crítico de la nanofiltración en el procesado del lactosuero es que las pérdidas de lactosa se han de mantener en un mínimo (menos de un 0.1%) para evitar problemas de DBO en las aguas residuales (permeato). La instalación del equipo de NF en el procesado de suero se puede considerar en las siguientes situaciones: - Como alternativa de bajo costo para disminuir el sabor salado del suero dulce normal en polvo. - Como un paso preliminar para conseguir una desmineralización más completa del suero por electrodiálisis e intercambio iónico. - Para la eliminación de ácido en suero de caseína de ácido láctico y clorhídrico. - Para reducir la sal en el suero salado, por ejemplo, por goteos de sal en la fabricación de queso tipo Cheddar. Desmineralización de alto grado La electrodiálisis se define como el transporte de iones a través de membranas semipermeables no selectivas bajo la fuerza impulsora de una corriente continua y un potencial aplicado. La membrana utilizada tiene funciones de intercambio tanto aniónico como catiónico, haciendo que el proceso de electrodiálisis sea capaz de reducir el contenido mineral de un líquido de proceso, por ejemplo agua de mar o suero. Principio de operación El suero se hace circular a través de celdas de dilución, y una solución al 5% de salmuera de arrastre a través de las celdas de concentración. Cuando se aplica la corriente continua a través de las celdas, los cationes intentan migrar hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Sin embargo, no es posible la migración completamente libre debido a que las membranas actúan como barreras frente a los iones de la misma carga. Los aniones pueden pasar a través de una membrana aniónica, pero son detenidos por una membrana catiónica. Del mismo modo, los cationes pueden pasar a través de una membrana catiónica pero no por una membrana aniónica. El resultado neto es la eliminación de iones en las celdas de suero. De esta manera el suero se desmineraliza, hasta una extensión determinada por el contenido en cenizas 45 del suero, el tiempo de residencia en el paquete de celdas, la intensidad de corriente y la viscosidad al flujo. Factores limitantes en la electrodiálisis El factor más limitante en el uso de la electrodiálisis en las industrias lácteas es el costo de reposición de membranas, espaciadores y electrodos, que constituyen el 35-40% de los costos totales de operación de la planta. La reposición es necesaria debido al mal funcionamiento de las membranas, que a su vez se debe a: - Precipitación de fosfato cálcico sobre las superficies de la membrana de intercambio catiónico. - Depósitos de proteínas en las superficies de las membranas de intercambio aniónico. El primer problema se puede solventar con el adecuado diseño de flujo sobre la superficie de la membrana y una limpieza ácida regular. Los depósitos de proteínas son el factor principal en el acortamiento de la vida útil de las membranas aniónicas. La base de este problema es la siguiente: a un pH normal del suero, las proteínas de este se pueden considerar como iones muy negativos y se mueven como tales bajo la influencia del campo eléctrico en el paquete de membranas. Estas moléculas, como son demasiado grandes para pasar a través de las membranas de intercambio aniónico, se depositan como una fina capa de proteínas sobre las caras de las membranas de intercambio aniónico en los compartimientos de suero. Se pueden utilizar técnicas tales como inversión de polaridad para desalojar de la membrana estos materiales depositados. Aunque una limpieza frecuente a elevado pH elimina la mayoría de los depósitos, se recomiendo desmontar los paquetes de membranas para su limpieza manual a intervalos de 2-4 semanas. Conversión de la lactosa La lactosa es un disacárido, compuesto por los monosacáridos glucosa y galactosa. La lactosa tiene dos isómeros que son la alfa-lactosa y la beta- lactosa. Difieren en la disposición espacial del grupo hidroxilo en el átomo de carbono de la molécula de glucosa, y difieren también, entre otras cosas en: - Su solubilidad - Forma de los cristales 46 - Punto de fusión - Efectos fisiológicos El desdoblamiento de la lactosa se puede realizar hidrolíticamente, mediante la incorporación de agua, o enzimáticamente. La enzima que desdobla la lactosa (como se ha mencionado anteriormente) es la lactasa o beta-galactosidasa, la cual pertenece al grupo de las hidrolasas. Como ya se ha mencionado en páginas anteriores, la lactosa es un azúcar que aporta poco dulzor, pero al ser hidrolizada da lugar a productos considerablemente más dulces. Además la lactosa hidrolizada posee mejores propiedades para la preparación de alimentos y es compatible con las personas intolerantes a la lactosa. Hidrólisis enzimática de la lactosa La figura 5 muestra un proceso para efectuar la hidrólisis enzimática de la lactosa del suero de leche. Para realizar este proceso no es necesario un tratamiento previo de desmineralización, pero si se hace se mejora el gusto del producto final. Después de su hidrólisis, el suero se evapora. De esta forma se obtiene un jarabe con un contenido en sólidos del 70-75%. El 85% de la lactosa presente en este jarabe se haya en forma hidrolizada, por lo que puede ser utilizada como endulcorante en panadería, confitería y en la elaboración de helados. Figura 5. Proceso de hidrólisis de la lactosa en suero. 47 Durante el proceso de producción, la enzima se inactiva por tratamiento térmico o por ajuste de pH. No puede utilizarse nuevamente. En vez de utilizar enzimas libres, en la actualidad es posible fijar las enzimas en diferentes tipos de soportes solubles o no solubles en agua. Este tipo de sistemas con enzimas inmovilizadas pueden ser utilizados en la hidrólisis continua de la lactosa. La enzima, que es cara, no es consumida y puede utilizarse para la hidrólisis de grandes cantidades de producto. De esta forma se aumenta la rentabilidad del proceso. Esta técnica no se ha desarrollado todavía en gran extensión. Hidrólisis ácida La lactosa se puede descomponer también por medio de ácido en combinación con tratamiento térmico o mediante paso a través de un intercambiador catiónico en forma de hidrógeno a alta temperatura, alrededor de 100ºC. El grado de requerido de hidrólisis viene determinado por la selección del pH, de la temperatura y el tiempo de mantenimiento. Como durante esta hidrólisis del suero tiene lugar una decoloración marrón se recomienda el tratamiento con carbón activo. Conclusiones y comentarios Como se pudo apreciar, la industria quesera posee materia prima muy valiosa, la cual puede ser utilizada para diversos fines. Hoy en día, las grandes empresas están apostando por el aprovechamiento de todos los componentes generados en la producción de sus bienes y más aún, se está apostando por un desarrollo productivo sustentable con el medio ambiente, lo cual también le da valor agregado a la empresa. En cuanto a la producción de lácteos, ya se ha avanzado bastante en tecnologías a gran escala, pero aún no se ha explotado tecnología capaz de hacer crecer a las pequeñas y medianas empresas de este rubro. Dichas tecnologías debieran ser pensadas para la elaboración de productos con componentes lácteos de gran valor agregado, además de ofrecer alternativas novedosas y amigables con el medio ambiente. En base a esto, este documento, pretendió informar y aclarar algunos aspectos importantes en cuanto a los usos del suero de leche, teniendo como fin último, mostrar el abanico de posibilidades que pueden llevarse a cabo con este subproducto, y generar en la mente del empresario un incentivo para idear nuevos usos del suero o proyectarse en relación al futuro de su empresa quesera. 48 Referencias 1. Gösta Bylund, M.Sc. 1995. Libro “Dairy processing Handbook”, cap. 15. Whey processing. Pág. 331. 2. Parmjit S. Panesar y col. 2007. “Bioutilisation of whey for lactic acid production” Revista Food Chemistry vol. 105. pág. 2. 3. Gösta Bylund, M.Sc. 1995. Libro “Dairy processing Handbook”, cap. 15. Whey processing. Pág. 332. 4. Schingoethe, D. J. 1976. Whey utilization in animal feeding: A summary and evaluation. J.. Dairy Sci. Vol. 59. 5. De Wit, J. N. 1998. Nutritional and functional characteristics of whey proteins in food products. J. Dairy Sci. 81:597–608. 6. 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