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Estabilidad térmica de la lecheAutora: Ing. Qca. Mónica S. Chavez (INTA Salta)
1- Introducción
La leche es un fluido completo secretado por los mamíferos fundamentalmente para alimentar a su cría, dentro de este grupo está el ser humano. La leche es, entonces, un alimento por naturaleza. El ser humano extiende su consumo no solo a momentos próximos al nacimiento de su bebé sino a toda la vida. Estudios realizados sobre la leche y los avances tecnológicos, han hecho posible extender la vida útil de la misma; así por ejemplo contamos, actualmente, con leche fluida factible de ser consumida a días o meses de haber sido ordeñada. Adicionalmente, la leche es utilizada para obtener una amplia gama de productos que diversifican en sabores y texturas. En efecto, la leche es materia prima de productos sólidos como las muchas variedades de quesos, manteca y barras dulces; productos semi sólidos como pueden ser los quesos untables, crema, dulces, también productos fluidos de diferentes viscosidades como es la familia de los yogures o leches concentradas, por mencionar algunos, son elaborados a partir de la leche; cabe agregar a esta larga lista, los productos en polvo. Entonces, la producción de leche de especies de animales domesticables como la bovina, caprina, ovina y búfala resultan de interés para el ser humano.
La producción de leche y sus derivados es, hoy, un desafío tecnológico entre la preservación de los aspectos nutricionales y de inocuidad en equilibrio con la obtención de productos lácteos de sabores, texturas y vida útil atractivos para el consumo. Este marco de concepto productivo, pone a la calidad de la leche y a su evaluación como un eje temático relevante al momento de lograr la meta mencionada precedentemente. En efecto, la calidad de la leche, ponderada a través de sus parámetros, permite evaluar objetivamente la situación y encontrar en esta evaluación, elementos de juicio para la toma de decisión, tanto sobre el sistema de producción primara como durante la transformación industrial.
La estabilidad térmica de la leche es una característica relevante de la misma, en virtud a que esta última tiene altas probabilidades de ser sometida a tratamiento térmico sea cual fuere la línea de transformación industrial a la que sea destinada. Esto es así, debido a que los tratamientos térmicos son un recurso tecnológico impulsado por las sociedades (legislaciones) para garantizar la salud de los consumidores mediante la destrucción térmica de microorganismos patógenos. Adicionalmente, la industria láctea dispone de tratamientos térmicos intermedios hasta procesamiento final que estabilizan la leche, retardando la expresión de enzimas y microorganismos, como por ejemplo la termización. En consecuencia, la estabilidad térmica de leche, como otras tantas cualidades de la misma, debe ser analizada en un contexto productivo, ya que los sistemas primarios introducen variantes en la calidad de la leche, y por añadidura en la estabilidad térmica de la misma. El objetivo de este trabajo es analizar la estabilidad térmica de la leche en función a variantes que desde el sistema de producción primaria pueden condicionarla.
2- Antecedentes conceptuales sobre estabilidad térmica de la leche
La leche puede ser interpretada, desde el punto de vista fisicoquímico (Fox y McSweeney, 1998), como la convivencia de sus componentes distribuidos en tres fases. Una de estas fases es una solución acuosa, mayoritariamente conformada por lactosa, sales orgánicas e inorgánicas, vitaminas y otras sustancias solubles en agua; en esta solución se encuentran proteínas dispersas (proteínas de suero) y
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proteínas suspendidas en estructuras coloidales agregadas (caseínas) y, finalmente, la tercer fase es una emulsión formada por los glóbulos grasos en el medio acuoso. Se trata de un sistema en el que la química coloidal cobra importancia al momento de su entendimiento y estudio. Es apropiado referirse a la leche como un sistema dinámico de cambios, en el que los equilibrios juegan un rol fundamental para su estabilidad.
La estabilidad de la leche en general y la térmica en particular, depende de la estabilidad de la estructura micelar de las caseínas en la leche, si la micela ha perdido sus características de suspensión original, se aglutinan formado coágulos o precipitados. En consecuencia, conocer las caseínas y sus equilibrios resulta importante para entender los cambios en la leche por efecto del calor. Las caseínas son las proteínas de la leche que precipitan a pH 4,6 a temperatura de 30ºC (Fox y McSweeney, 1998); la fracción de proteínas remanente soluble a dicho pH, corresponde a las denominadas proteínas de suero o proteínas del nitrógeno no caseínico.
Estudios sucesivos sobre las estructuras que adoptan las caseínas para su suspensión en el medio acuoso de la leche (suero de la leche), han arrojado como modelo más aceptado el propuesto por Holt (1992 y 1994) y reformulado posteriormente por Kruif (1999). Básicamente se trata de un coloide (Fig. 1), cuyo interior está formado por una trama enmarañada de las moléculas de caseína αS1 (37% de la caseína total bovina), αS2 (10%) y β caseínas (35%), todas estas fosfoproteínas, ligadas entre sí por medio del fosfato de calcio; esta organización puede dar origen a submicelas, las que a su vez están ligadas entre sí por fosfato de calcio; la κ casina (12% de las caseínas total bovina) por poseer menor afinidad por el calcio y tener uno de sus extremos hidrófilos, se ubica en la periferia de la estructura coloidal y es la que, en mayor medida, contribuye a la estabilidad del sistema coloidal en el medio acuoso (suero de leche). Esta organización espacial lleva por nombre micela de caseína. Walstra (1999) aporta al modelo, la idea de un equilibrio dinámico entre las micelas de caseínas y los cambios en el suero de la leche que las contiene.
Figura 1: Modelo de la micela de caseína de Holt (1992,1994), del libro de Fox y McSeeney (1998)
La micela de caseína contiene 94% de proteínas y 6% de fosfato de calcio coloidal. Esta fuertemente hidratada, el 63% de su volumen total corresponde a agua, esta presenta 3,7g de agua por g de proteína. El diámetro de una micela está comprendido entre 50 y 500 nm, la distancia media entre micelas es 240nm y su peso molecular hidratada es 1,3x109 Da. El número de micelas estimado por ml de leche está comprendido entre 1x1014 y 1x10 16 micelas.
La estabilidad térmica de la micela en la leche es alta y se debe a su naturaleza coloidal y a las características propias de esta estructura única en la naturaleza. En efecto, a pH natural (6,66-6,70) la leche puede ser calentada a 100ºC durante 24 horas sin sufrir modificaciones; también está probado que a ese pH, la leche puede soportar calentamientos de 140ºC durante 20 minutos. El interrogante es por qué esta
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estabilidad puede ser alterada.
3- Factores del sistema de producción primaria que afectan la estabilidad térmica de la leche
La valiosa recopilación de Singh y Creamer (1998, los aportes de Negri y col. (2003) y el análisis de Chavez y col. 2005 permiten proponer los siguientes factores como los más relevantes sobre la estabilidad térmica: pH, las estaciones del año, sales, las proteínas, urea, lactosa y la mastitis.
La estabilidad térmica de la leche se interpreta como la capacidad de la misma a resistir tratamientos térmicos de diferentes rigurosidades. Ésta ha sido cuantificada por medio de métodos subjetivos (dependen de la apreciación del observador experto) u objetivos (se recurre a cambios de propiedades cuantificables), siendo los primeros los más difundidos y confiables. Los métodos subjetivos consisten, básicamente, en someter la leche a una temperatura constante y a medir el tiempo a partir del cual se observa la coagulación de la leche. Otra opción, menos empleada, es medir estabilidad térmica como la máxima temperatura que resiste la leche a un tiempo constante de calentamiento.
3.1-pHEl pH de la leche es un factor crítico para la estabilidad térmica de la misma. Fox y Morrissey (1977),
realizaron un importante aporte entorno a los cambios que los tiempos de coagulación manifiestan en función del pH; estos autores clasificaron el comportamiento de la estabilidad térmica de la leche frente al pH en dos grupos o tipos (Fig. 2).
Las leches del tipo A, presentan un máximo valor de estabilidad térmica a pH natural de la leche (6,6-6,7); pH menores o mayores ocasionan menor estabilidad térmica de la leche. Por otro lado, las leches del tipo B, presentan valores de tiempos de coagulación siempre crecientes. La mayoría de las leches responden al tipo A. La repulsión electrostática de las cargas de la superficie o capa de la micela, cuantificada por medio del potencial zeta, es apropiada para mantener la estabilidad de la micela a pH natural. La disminución del pH afecta dicha propiedad, debilitando la carga superficial y favoreciendo la inestabilidad de la micela
Figura 2: Comportamiento térmico tipo A y B de la leche frente a los cambios de pH (Horne y Muir, 1990)
La causa más común por la cual el pH de la leche es menor al normal, en los sistemas productivo, es el desarrollo de acidez por la acción indeseable de microorganismos. El trabajo publicado por Negri (2005) ilustra claramente el tema. La leche tiene acidez propia natural, producto de la coexistencia de los muchos componentes en solución y dispersión que la conforman. Esta acidez natural o actual, involucra los grupos hidrogeniones (H+) libres en la leche. La forma más apropiada de cuantificar esta acidez, es por medio de
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un electrodo conectado a un pH metro. La acidez natural medida de esta forma a 21ºC, está comprendida en el rango 6,5-6,8 para leche bovina, dependiendo del momento de la lactancia en el que se encuentre, pero siempre resulta levemente ácida. Los recaudos en la toma de esta medición recaen en un equipo apropiadamente calibrado con soluciones estándares, y en el control de la temperatura de la leche (21ºC) durante medición y calibrado.
La leche, además de su acidez actual, presenta acidez potencial o titulable; la que incluye todos los componentes de la leche que pueden liberar grupos H+ cuando la leche es titulada por adición de un álcali. Es decir, los equilibrios naturales de la leche, son modificados o desplazados hasta un dado pH (8,3) por el agregado del álcali. Esta determinación se lleva a cabo con NaOH (1,1N) como álcali, el punto final lo marca el viraje de la fenolftaleína (pH=8,3) y la temperatura de trabajo debe ser 21ºC. Se denomina acidez en grados Dornic (ºD). Es importante mencionar que la concentración 1,1N de NaOH, debe estar controlada (factor de corrección) frente al valor de solución estándar; se trabaja con no más de 4 gotas de indicador y el punto de viraje está sujeto a la experiencia del operario. Se recomienda reemplazar el indicador de viraje por el uso de un electrodo; el punto final estará dado cuando el pH indicado en el equipo alcance 8,3; de esta manera se evita la subjetividad de quien realiza la medición. La acidez titulable, incluye todas las especies disueltas en la leche que potencialmente liberen H+ frente al agregado de álcali, esto es: las 2/5 parte de la acidez natural se debe a las caseínas, igual proporción la provoca las sales minerales y los ácidos orgánicos y la 1/5 parte final es conferida por los fosfatos. La acidez titulable normal depende fuertemente del contenido de caseína de la leche y del momento de la lactancia. En general, para raza Holstein durante el 2do tercio de la lactancia, el rango normal de variación de la acidez titulable es 13,5-15 ºD.
La acidez propia o natural de la leche se ve incrementada por la aparición de ácidos orgánicos (ácidos láctico) producto de la degradación de la lactosa por acción de bacterias mesófilas; es decir, aquellas que desarrollan a temperaturas próximas a los 32-35ºC. Leches ácidas, por ej 18ºD y pH 6,45, están indicando desarrollo de microorganismos y sin duda, serán inestables térmicamente ya que el pH se encuentra del lado izquierdo del máximo mostrado en la figura 2.
Es recomendable ponderar la acidez de la leche utilizando electrodo (pH) cuando se intenta predecir comportamiento térmico, ya que la acidez titulable no mantiene relación con estabilidad térmica de la leche. Adicionalmente, la acidez titulable puede confundir la interpretación de los resultados cuando estos son próximos a los valores normales (ej 16 o 17ºD), descartando leches de buen nivel de caseínas bajo la idea de ser leches ácidas. Esta duda no se manifiesta al cuantificar pH.
Los sistemas productivos que no conocen ni aplican buenas prácticas pecuarias, cuya tecnología de ordeño desconoce de calidad de leche y, adicionalmente, no cuentan con sistemas de enfriamiento durante acopio y traslado de la leche, tienen en el desarrollo de la acidez la causa más frecuente de inestabilidad térmica. Este panorama se verá acentuado cuando se trata de regiones cálidas y húmedas. El tiempo y forma de manejar la leche desde el momento del ordeño y hasta la transformación industrial son críticas para el control del desarrollo de acidez.
3.2-Las estaciones del año
Las estaciones del año de otoño y primavera ocasionan disminución en la estabilidad térmica. Esta situación fue reportada por Donnelly y Horne (1986) y Singh y Creamer (1998) entre otros, y verificada en la Cuenca Lechera Central. En efecto, en un trabajo de investigación realizado por especialistas en Calidad de leche del INTA y de INTI de Rafaela (Negri y col. 2001) fue posible verificar que la estabilidad térmica de la leche, medida como tiempos de coagulación en capilares a 140ºC, fueron mayores durante el otoño-invierno y menores durante la primavera (Figura 3). El valor promedio obtenido durante el otoño-invierno
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fue 24,6 minutos y para la primavera-verano fue 17,4 min, siendo significativamente diferentes entre sí.
Figura 3: Cambios del tiempo de coagulación de leche bovina de la Cuenca Lechera Central respecto del momento productivo
Este comportamiento (Fig. 3), llevó a asociar estas dos épocas del año al manejo del rodeo después del parto y antes del secado; la mayoría del ingreso de animales al ordeño luego del parto se producen durante fines del verano y comienzos del otoño, mientras que se retiran los animales prontos al secado durante fines de la primavera. En consecuencias, se indagó sobre los cambios de la estabilidad térmica en el tanque de acopio en la medida que ingresaron animales 5 días después del parto (Chavez y col. 2004) a un rodeo formado. Los resultados de esta experiencia mostraron que en la medida que ingresaron animales después del parto, la leche disminuyó su estabilidad térmica; esta propiedad se estabilizó cuando el rodeo contuvo el 58% de los animales del primer tercio de la lactancia.
Estos resultados impulsaron a indagar sobre los parámetros de calidad de leche que sufren cambios a raíz del parto y que estuvieran relacionados a la estabilidad térmica. Este análisis (Páez y col. 2006) se llevó a cabo por medio de un seguimiento en la calidad sobre 10 animales (Holstein) recién paridos y durante 12 días. La estabilidad térmica incrementó desde el momento del parto y se obtuvo un valor estable del tiempo de coagulación a partir del 10mo día después del parto; fueron el pH, la concentración de lactosa y cloruros las variables que se asociaron al comportamiento obtenido para el tiempo de coagulación.
El manejo corriente de los animales en los tambos de la Cuenca Lechera Central Argentina, consiste en incorporar los animales al rodeo para ordeño a los 5 días de producido el parto, es decir que, para ese momento, la estabilidad térmica no ha logrado su valor final. La estabilidad térmica de la leche mezcla del tanque así conformado, irá variando hasta que, en poco tiempo después, mediados del otoño, se logra valores estables y posiblemente mayores. Este último aspecto debe ser motivo de nuevas investigaciones. En un análisis similar sobre los mismos animales pero sobre los últimos 10 días antes de ser retirados por secado, se obtuvieron tiempos de coagulación menores a los logrados después del 10mo día desde el parto. Es decir que este período, incide en la estabilidad térmica disminuyéndola. En suma, el manejo del rodeo concentrando pariciones, tiene probabilidades de contribuir a los cambios en la estabilidad térmica de la leche.
Es importante remarcar que lo expuesto refiere a una parte del manejo en el tambo, sin embargo cuestiones que están relacionadas a la alimentación merecen ser estudiadas como posible causa de cambios en la estabilidad térmica. En general, todo manejo en el campo que produzca cambios en el pH, calcio iónico o urea en leche, inciden indirectamente en la estabilidad térmica, ya que esta última es muy sensible a dichos parámetros.
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3.3-Sales
La micela de caseína cuenta en su interior con fosfato, calcio y magnesio como agentes fundamentales de su estructura; estas especies mantienen un equilibrio dinámico con los mismos compuestos solubles en el suero de la leche y externos a la caseína. Es importante recordar que la estabilidad de la micela condiciona la estabilidad térmica de la leche. En efecto, Chavez y col. (2004), probaron que la relación (Mg+Ca+P)/caseína afecta significativamente la estabilidad térmica de la leche. En este mismo trabajo, el calcio iónico fue determinado como el de mayor incidencia en la estabilidad térmica, en menor medida lo fue el calcio total y el fósforo, resultado que concuerda con otras investigaciones publicadas; en efecto, Horne y Muir (1990) mostraron que el aumento de calcio iónico en la leche disminuye la estabilidad térmica y viceversa (Figura 4).
Figura 4: Cambios de la estabilidad térmica en función del pH y del contenido de calcio iónico: leche control (centro),
agregado de calcio iónico (curva inferior) y quitado de calcio iónico (curva superior)
En estos equilibrios, el pH de la leche juega un rol fundamental ya que incide en el movimiento que estos cationes y aniones tienen desde y hacia la micela. La disminución del pH promueve la migración del calcio coloidal hacia fuera de la micela; por otro lado, el aumento del pH induce la incorporación del calcio hacia el interior de la micela. Estos cambios de pH pueden ocurrir ante el agregado de sustancias químicas a la leche con finalidades tales como la de neutralizar la acidez, sin tener presente que es una práctica prohibida y que pone en riesgo la estabilidad de la leche.
Por otro lado, cationes y aniones monovalentes tales como cloruro, sodio y potasio también inciden en forma indirecta en la estabilidad térmica. Estos compuestos actúan como contra iones de la micela, favoreciendo su “solubilidad”. Costabel y col. (2009) verificaron que a mayor concentración de cloruro, mayor fue la inestabilidad de la leche, este resultado estuvo en concordancia con antecedentes bibliográficos.
Las prácticas durante el acopio y traslado de leche que involucren cambios en el pH (desarrollo de acidez por ejemplo) o agregado de sustancias químicas, en algunos casos en forma involuntaria como pueden ser restos de agentes de limpieza, alteran la estabilidad térmica de la leche.
3.4-Proteínas
Las caseínas, proteínas de la leche de estructura simple, relativamente hidrofóbicas y fosforiladas son el origen de las micelas. Estrictamente hablando, las caseínas no son susceptibles de ser desnaturalizadas por calentamiento, sin embargo la estructura que conforman: micela, tiene otro carácter. Entre las caseínas, la κ-CN cumple un rol determinante en la estabilidad de la micela, y es esta la de mayor
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sensibilidad al calor.
La β- Lactoglobulina, proteína de suero, conforma un complejo con la κ-CN durante calentamiento, estabilizando la micela y dando lugar al máximo tiempo de coagulación de la Figura 2. Negri y col. (2001) pudieron verificar que a mayor contenido de proteínas de suero, posiblemente de β- Lactoglobulina, mayor fue la estabilidad térmica en muestras de leche de la cuenca Lechera Central Argentina (Figura 5). Costabel y col. (2009) encontraron niveles menores de proteínas de suero en muestras individuales de leches de animales próximos al momento del secado, momento en el cual la estabilidad térmica disminuye.
Figura 5: Tiempo de coagulación en función a la concentración de proteína de suero
La proteína total cambia a lo largo de una lactancia pero las proporciones del perfil nitrogenado se
suele mantener. Es poca la información en torno a los cambios de estabilidad térmica a raíz de la lactancia. Es de esperar que esta cambie, promovida por los cambios de pH que naturalmente ocurren durante este cambio fisiológico.
Los cambios de biotipo y de especies, conllevan a cambios en las proporciones y cantidad de amino ácidos de las caseínas. Es de suponer que estas diferencias, se manifiesten en diferentes tiempos de coagulación; sin embargo, es poca la información disponible que compare estabilidades térmicas de diferentes biotipos para una misma especie. Existen pocos antecedentes que afirman que algunas variantes genéticas de la β- Lactoglobulina y de la la κ-CN podrían asociarse a mejoras en los tiempos de coagulación.
Por otro lado, hay claras evidencias (Raynal-Ljutovac y col. 2007) sobre que la leche caprina y ovina posé menor estabilidad térmica que la bovina, atribuible, entre otros factores, a las diferencias estructurales de la micela entre especies.
3.5- Urea y lactosa
La urea es bien conocida por contribuir a la estabilidad térmica de la leche aunque no se conoce bien el mecanismo de su participación. Al respecto, se propusieron dos hipótesis: una de estas hipótesis supone que la urea actúa como buffer en la leche, controlando el pH, la otra supone que la urea conforma un complejo estabilizante con las micelas de caseínas. Adicionalmente, se verificó que la acción de la urea como estabilizante térmico, se produce solo en compañía de la lactosa; habría un efecto sinérgico entre ambos compuestos, aunque los mecanismos no son aún claros (Shalabi y Fox, 1982).
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Chavez y col. (2004) encontraron que la urea modifica significativamente a la estabilidad térmica pero no es el factor más importante que la condiciona; en este trabajo la lactosa no resultó determinante de dicha estabilidad. Sin embargo, Costabel y col. (2009) asociaron baja estabilidad térmica en muestras individuales de leche con baja concentración de lactosa y alta de urea, lo que lleva a suponer que es la lactosa la que controla el mecanismo que modifica la estabilidad térmica.
La variación normal de la concentración de urea en leche de tanque de acopio en tambos de la Cuenca Lechera Central es entre 0,1 y 0,6 g/kg de leche. Sería valioso estudiar la razón de dichos cambios y asociarlos a la estabilidad térmica.
3.6- Mastitis
La leche producto de la glándula mamaria probadamente inflamada a razón de microorganismos patógenos para el animal, varia su composición y pH. Estas leches presentan alto contenido de proteínas de suero, particularmente las inmunoglobulinas; el perfil mineral se ve alterado, promoviendo el aumento de cloruros y sodios disueltos en la leche; el aumento de pH es otro síntoma del problema.
Esta inflamación en su estado clínico, es claramente detectado por el profesional especialista; adicionalmente el parámetro de calidad de leche indicador de este problema sanitario es el conteo de células somáticas, valores entre 400.000 y 500.000 cel/ml de leche significa que el 51% del rodeo posé esta patología (Calvinho y Tarabla, 2005). Las modificaciones ocasionadas por la mastitis, traen como consecuencia la disminución de la estabilidad térmica sin dudas pero por ley, leches con mastitis no son aptas para ser procesada por razones de salud pública.
La mastitis subclínica no es fácil de detectar y ésta produce cambios poco apreciables desde el punto de vista composicional pero, posiblemente, significativos para la estabilidad térmica. De modo tal que el control permanente del rodeo en prevención, es una herramienta que indirectamente colabora con la estabilidad térmica. Adicionalmente, tener presente que la tecnología de ordeño es relevante para inducir esta patología.
4- Comentarios adicionales
La determinación de la estabilidad térmica en forma rápida y precisa es hoy un problema no resuelto. Probablemente porque esta propiedad de la leche, es el resultado de un número importante de reacciones químicas que involucran a muchos componentes de la leche; esto la hace un proceso complejo. Sin embargo, el control de problemas de mastitis subclínicas y de acidez, en conjunto con la aplicación de buenas prácticas tamberas, tecnología de ordeño y el uso de frío durante acopio y traslado, contribuirán a mantener la estabilidad de la leche. El conocimiento del comportamiento de la leche a razón de nuestros sistemas, es también una herramienta fundamental para predecir posibles cambios en esta propiedad.
El test del alcohol ha sido utilizado como predictor de comportamiento térmico, no siendo el método más apropiado (Chavez y col. 2004). Sin embargo, este test es un buen detector de acidez desarrollada en leche pero no de su carga bacteriana y el potencial desarrollo de la misma.
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Bibliografía
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