Equipos para control de coagulación en lácteos

Se puede definir la coagulación como el cambio irreversible que sufre la leche desde su estado líquido a un estado semisólido denominado gel o coágulo.  Durante este proceso se produce la coalescencia de las proteínas de la leche, las caseínas, que al formar el gel engloban en su interior a los glóbulos de grasa (Gobbetti et al., 2018).

Para entender los distintos mecanismos de acción durante la coagulación hay que entender el complejo sistema de equilibrios que conforman las caseínas (αs1, αs2, β y κ) y su forma de asociarse en micelas y submicelas de caseína (unidas entre sí por fosfato cálcico coloidal) que le confieren un alto grado de estabilidad en suspensión en la fase acuosa de la leche. Además, entre sus propiedades destacan que no se desnaturalizan por las temperaturas empleadas de manera habitual en la industria quesera y no presentan una estructura concreta, lo que confiere la facilidad para adoptar diversos estados conformacionales.

Intentando hacer una simplificación, las caseínas están agrupadas en submicelas unidas entre sí por enlaces de fosfato cálcico conformando unas estructuras globulares denominadas micelas de caseína que en su parte externa presentarían una capa de κ-caseína cargada negativamente. Como la carga neta de todas las micelas sería negativa se repelen entre sí manteniéndose en suspensión.

Tipos de coagulación

Por un lado, la coagulación puede llevarse a cabo mediante acidificación de la leche a un pH 4.6. Este pH coincidiría con el punto isoeléctrico de las caseínas en el que se neutralizan las cargas negativas del exterior de la micela con la consiguiente agregación de las mismas formando un gel poco elástico, poroso y friable, típico de los quesos de coagulación ácida.

Otra forma sería mediante una acidificación hasta un pH aproximado de 5.2 combinada con un calentamiento a 90° C. En este caso, el calor afecta al otro tipo principal de proteína de la leche, pero minoritario, las proteínas del suero. Este tipo de proteínas se ven afectadas por efecto de la temperatura llegando a desnaturalizarlas. El resultado es una matriz de proteínas de suero y caseínas coaguladas.

Por último, siendo la manera más habitual y extendida de elaboración de queso, se encuentra la vía enzimática. La coagulación tiene lugar por una proteólisis controlada debido a la acción de un enzima proveniente del estómago de ciertos mamíferos, la denominada renina o cuajo (formado por quimosina, más específica y pepsina de menor especificidad). En la actualidad, además del cuajo de origen animal, podemos encontrar otros tipos de coagulantes como los de origen vegetal, microbiológico o producidos por fermentación (100% quimosina).

La coagulación enzimática sería la que se lleva a cabo en la mayoría de los quesos y es un proceso que tiene lugar en dos fases, una enzimática primaria (hidrólisis) y una fase secundaria no enzimática (agregación), (Fox y Guinee, 2013).

La elaboración de quesos con cuajo se basa en el hecho de que la κ-caseína se hidroliza en una primera fase gracias a la especificidad de la quimosina a nivel del enlace peptídico Phe105-Met106. El pH óptimo de actuación sería de 5.1–5.5 (si bien en la fabricación de queso se emplean pH´s más elevados) y la κ-caseína se hidroliza produciendo una fracción hidrofóbica, para-κ-caseína (fragmento de κ-caseína 1-105) y otra hidrofílica, macropéptidos (también llamados glicomacropéptidos o caseinomacropéptidos; fragmento κ-caseína 106-169) (Bintsis y Papademas, 2017).

Mientras que los macropéptidos se difunden en la fase acuosa la para-κ-caseína permanece unida al núcleo de la micela (McSweeney, 2007).

La hidrólisis de la κ-caseína reduce la carga eléctrica de las caseínas, lo que disminuye la repulsión entre las micelas y facilita por lo tanto su agregación. Estas micelas inestables tienen la capacidad de ir formando una red tridimensional que se va endureciendo con el tiempo y donde el calcio (Ca2+) actúa como acelerador del proceso por su influencia sobre la agregación y un posible efecto en la hidrólisis al disminuir el pH de la leche. Al progresar la coagulación la red tridimensional de cadenas micelares engloba por un lado la fase acuosa, con los compuestos disueltos que lleva (lactosa, proteínas del suero y minerales) y por otro lado la grasa en suspensión que lleva la leche, formando lo que conocemos como “cuajada”. Los trabajos posteriores con este coágulo (corte, sinéresis) irán eliminando agua y concentrando la grasa y proteína (caseína).

El gel resultante de la coagulación enzimática se caracteriza por ser elástico, cohesivo, poco poroso y contráctil.

Factores que afectan la coagulación

La coagulación está muy influenciada por la dosis de coagulante, la temperatura, el pH, la concentración de calcio y los composicionales de la leche, principalmente las proteínas.

La concentración de enzima utilizada para la coagulación de la leche es otro factor determinante, ya que, a mayor concentración, el tiempo de coagulación disminuye afectando también a la velocidad de consolidación y sin presentar efectos sobre la consistencia (Mahaut et al., 2003).

•Temperatura

La temperatura óptima de actuación del cuajo es de 40-42° C, donde el tiempo de floculación de la leche es mínimo. A temperaturas superiores el tiempo de floculación y el índice de consistencia disminuye hasta inhibirse a 65° C por ser la temperatura de inactivación del enzima. En el otro extremo, a una temperatura inferior a 10° C tampoco tiene lugar la coagulación. Trabajando por debajo de los 30° C el tiempo de consolidación disminuye notablemente.

•pH

El pH presenta un gran efecto sobre la coagulación y las propiedades del gel (cuajada). Por un lado, porque la actividad de la quimosina es dependiente del pH, estando en 6.0 su punto óptimo. Así una reducción del pH acelera la hidrólisis de la caseína y la agregación de las micelas de caseína, incrementándose la velocidad de consolidación y disminuyendo el tiempo necesario para el endurecimiento.

Pero por otro lado el descenso del pH también afectará a la estructura de las micelas. Aplicando disminuciones moderadas en el pH se observa como resultado la solubilización parcial del calcio de las micelas de caseína lo que conlleva a una formación de la cuajada de manera más rápida dando lugar también a una cuajada más firme.

•Calcio

El efecto de la adición de calcio en forma de CaCl2 implica un aumento del calcio ionizado y del calcio coloidal lo que aumenta el tamaño de las micelas y disminuye el pH por disociación de los grupos fosfóricos y carboxílicos de las proteínas, también disminuye la carga neta negativa lo que facilita la agregación de las micelas de caseína. Así, aumentan el número de reacciones enzimáticas y la tasa de agregación por lo que el tiempo de cuajado es más corto y la consistencia final del gel mayor.

•Proteína

Con una proporción de proteína (caseína) más alta, la agregación tendrá lugar en mayor grado antes de que la hidrólisis de la caseína pueda alcanzar el mismo grado cuando la concentración de caseína es más baja. Esto es debido a que las micelas de caseína tienen más macropéptido en la superficie para el mismo grado de agregación y formación de gel, cuando aumenta la concentración de caseína.

Métodos de medición

A continuación, se muestra una clasificación en la que podemos encontrar distintas metodologías dirigidas a la aplicación de métodos que ayuden a eliminar el carácter subjetivo de las mediciones a la vez que nos aportan mayor cantidad de información como el tiempo de toma o de floculación, velocidad de agregación y la firmeza al corte. Se excluyen los métodos tradicionales, visuales, en los que se puede obtener el tiempo de floculación y a partir de él estimar de una forma menos objetiva el momento de corte de la cuajada.

•Métodos físicos

1.Reológicos

Se basa en el carácter viscoelástico de las “cuajadas” y su capacidad para deformarse sin llegar a romper. Permiten medir el tiempo de floculación y nos caracterizan propiedades mecánicas de los geles. Existen varias modalidades de equipos:

El reómetro: aplica pequeñas oscilaciones sobre la leche, midiendo la resistencia a la deformación a lo largo que avanza la coagulación. Muy empleado a nivel de investigación, aporta información del tiempo de floculación, velocidad de agregación y firmeza del gel.

Basados en el mismo principio de medir la deformación aplicada sobre las muestras existe una familia de equipos que se han ido mejorando a lo largo de los años: Trombélostograph, Formagraph, Gélograph, Lactodynamographentre y otros muchos.

Todos estos equipos presentan como inconveniente el ser destructivos de la muestra y/o ser por lo tanto poco prácticos para la su aplicación dentro del proceso productivo (Nicolau et al., 2015).

2.Contaje de partículas

Se trata de métodos que pueden medir el cambio de distribución en el tamaño de partículas. Presentan el inconveniente de no poder ser implantados a nivel industrial.

3.Ultrasonidos

Durante la aplicación de ondas de alta frecuencia a través de la leche éstas se ven atenuadas cuando se inicia el proceso de coagulación (Gunasekaran y Ay, 1996). Sin embargo, algunos autores parece que han encontrado que la aplicación de ultrasonidos sobre la leche podría afectar a las propiedades funcionales de las proteínas lácteas (Ashokkumar et al, 2010), impidiendo la medida en línea.

4.Ópticos

Se basan en la medición de la refracción de la luz, la variación en la reflexión de la luz o midiendo la turbidez mediante nefelometría. Este tipo de métodos se ha visto que presentan eficacia para medir el tiempo de floculación y presentan la ventaja de que no son destructivos y se pueden incorporar en línea en el proceso productivo (Castillo, 2006).

5.Mixtos

Recientemente se han desarrollado métodos que combinan varias de estas metodologías. De especial interés la combinación de métodos ópticos con ultrasonidos, de los cuales hay desarrollos industriales, si bien no pueden incorporarse en línea.

•Métodos térmicos

Entre los métodos para medir la coagulación se encuentra el del hilo caliente. Este ha demostrado su eficacia para medir el tiempo de floculación por ser muy preciso en ese punto, pero como la viscosidad aumenta exponencialmente entre el comienzo de la agregación y el inicio de la coagulación visual, el cable caliente no es adecuado para medir la firmeza del gel (Castillo, 2006).

¿Por qué es importante controlar la coagulación?

La firmeza del coágulo se ha medido de manera subjetiva por el quesero de forma tradicional, sin embargo, puede haber una variabilidad considerable entre fabricantes, lo cual da lugar a diferencias significativas en la firmeza final del coágulo en el momento de corte (Johnson y Law, 2017).

Por este motivo durante las últimas décadas se ha intentado buscar métodos instrumentales que permitan al quesero estandarizar el momento de corte y determinar la firmeza óptima para el corte de la cuajada.

Un corte de cuajada muy firme dará como resultado quesos con más humedad. Pero también influye el tamaño de corte, cuanto más pequeño se corta el coágulo, mayor es el área de superficie lo que conduce a una mayor cantidad de suero perdido.

Los quesos con poca humedad final están elaborados de un coágulo en el que la cuajada se corta pequeña y blanda. Por el contrario, los quesos con alto contenido de humedad están elaborados a partir de un coágulo en el cual la cuajada se corta grande y firme (Johnson et al., 2001).

Por este motivo desde el Instituto Tecnológico Agrario de Castilla y León (ITACyL) perteneciente a la Consejería de Agricultura, Ganadería y Desarrollo Rural  dentro de las actuaciones en el marco de la Plataforma de Dinamización de la Investigación e Innovación Agraria y Agroalimentaria se está trabajando a través del proyecto Coagusen “Innovaciones en la fabricación de queso a través de tecnologías nóveles para la optimización de la coagulación de la leche” (Financiación Feader) en colaboración con empresas como Perinox, C-Agua, Quesos Marsan, Chr. Hansen, la de Artesanos Alimentarios de Castilla y León y la Federación Castellano Leonesa de Industrias Lácteas en el desarrollo de un equipo que permita medir y monitorizar la etapa de coagulación de la leche, su aplicación en escala piloto e industrial y actuaciones de divulgación. El objetivo es desarrollar un equipo fiable, totalmente integrable en el proceso productivo, robusto y de fácil limpieza. El equipo desarrollado (Consitency Meter, C-Aguas S.L., Palencia) consta de un sistema emisor-receptor, separados varios milímetros, que se sumerge en la leche. Desde el emisor se proyecta un haz de luz infrarroja que atraviesa la leche. A medida que avanza la coagulación la intensidad de la señal que llega al receptor disminuye, lo cual se relaciona con el aumento de firmeza que se produce al desarrollarse el gel. A través de tratamientos matemáticos de la señal se obtiene la curva de Consistencia en tiempo real, en la cual se identifican los siguientes puntos de interés: tiempo de desestabilización, tiempo de toma, tiempo de endurecimiento, tiempo total de coagulación, velocidad máxima de organización y porcentaje de consistencia en el momento de corte de la cuajada. Una de las principales ventajas del equipo es que permite la medida en línea, por lo que puede integrarse en una cuba de cuajar de cualquier industria e incorporarse en su sistema de gestión de la información, con una total integración en el sistema productivo.

Para comprobar la fiabilidad, la sonda, ha sido calibrada frente a métodos empleados a nivel de investigación como referencia a la hora de medir las cinéticas de coagulación (Reómetro MCR301, Anton Paar, Austria ). De esta manera se han identificado las concordancias entre los distintos puntos que caracterizan una curva de coagulación (Figura 1) y se ha comprobado su precisión y repetibilidad. En la Figura 1 se puede ver como el Consistency Meter empieza a notar los cambios antes que el reómetro (tiempo de desestabilización) y aumenta la señal de forma progresiva hasta lo que sería el tiempo de toma, identificado en el reómetro y visible al ojo humano. A partir de ese momento empieza la fase de agregación, llegándose a un punto de velocidad máxima (calculada como un máximo en la primera derivada) el cual, dependiendo de la tecnología, puede relacionarse con el punto óptimo de corte.

La sonda sirve tanto para medir los distintos tipos de leche (vaca, oveja, cabra y sus mezclas) como para monitorizar cualquier tipo de tecnología: quesos frescos, pastas blandas, pastas prensada o pastas cocidas. Al mismo tiempo se han encontrado resultados satisfactorios en coagulaciones largas y procesos fermentativos como en la fabricación de quesos de coagulación lácticas y de leches fermentadas. En estos trabajos se ha comprobado su sensibilidad a las variaciones de los distintos factores que afectan a la coagulación: temperatura, pH, concentración de proteína, calcio, tipo y concentración de coagulante.

Una vez desarrollada la sonda, se está comprobando su robustez en condiciones reales de la industria (Figura 2), realizando medidas en un entorno industrial y constatando su idoneidad para el control objetivo de la etapa de coagulación, la estandarización del punto de corte en base a una consistencia determinada y su funcionalidad para optimizar dichas etapas en base a una retención de sólidos más eficiente. Además, el equipo presenta una gran sencillez para su limpieza, con posibilidad de integrarse en las limpiezas con unidad CIP.

Por todo ello, el empleo de equipos de monitorización en línea como el Consistency Meter -cuya imagen se puede ver en la apertura de este artículo- permiten simultáneamente el adecuado control de las etapas de coagulación y corte de la cuajada, para cualquier tipo de industria quesera. Con su empleo se consigue eliminar la subjetividad y los errores cometidos al emplear tiempos constantes de coagulación a la hora de cortar las cuajadas, que no tienen en cuenta las variaciones intrínsecas de la leche entre diferentes lotes. De esta manera, se puede llevar a cabo un adecuado control de la firmeza en el momento de corte y  minimizar las diferencias de humedad entre quesos de distintas cubas.

Asimismo, se puede llegar a optimizar la etapa de corte (en función del tipo de queso) maximizando la retención de sólidos y reduciendo las pérdidas de grasa y proteína en suero, así como los finos producidos en cuba. Todo ello se traduce directamente en un aumento de la rentabilidad de la empresa en base al aumento de la calidad del producto (mayor homogeneidad entre lotes) y a un preciso control del rendimiento quesero.

El equipo de medida Consistency Meter ha sido presentado recientemente al sector en una jornada sobre “Control de los procesos de coagulación de la leche” desarrollada en la Estación Tecnológica de la Leche, donde investigadores del ITACyL realizaron una demostración in situ del funcionamiento del equipo.

Bibliografía

Ashokkumar, M., Bhaskaracharya, R., Kentish, S., Lee, J., Palmer, M., Zisu, B. (2010). The ultrasonic processing of dairy products—an overview. Dairy Science and Technology 90, pp. 147–168.

Bintsis, T., Papademas, P. (2017). An overview of the cheesemaking process. In Global Cheesemaking Technology: Cheese Quality and Characteristics, 1st ed.; Papademas, P., Bintsis, T., Eds.; John Wiley & Sons, Ltd.: New York, NY, USA, pp. 120–156.

Castillo, M. (2006). Cutting time prediction methods in cheese making. Encyclopedia of Agricultural, Food, and Biological Engineering, pp. 1–7.

Fox, P. F., Guinee, T. P. (2013) Cheese Science and Technology. In Park, Y. W. & Haenlein, G. F.W. (eds.), Milk and Dairy Products in Human Nutrition: Production, Composition and Health. John Wiley & Sons Ltd., Oxford, pp. 384–400.

Gobbetti M., Neviani E., Fox P. (2018). The Cheeses of Italy: Science and Technology. New York, NY: Springer International Publishing, 10.1007/978-3-319-89854-4.

Gunasekaran, S., Ay, C. (1996). Milk coagulation cut-time determination using ultrasonics. Journal of Food Process Engineering. 19, pp. 63–73.

Johnson, M., Chen, C. M., Jaeggi, J. J. (2001). Effect of rennet coagulation time on composition, yield, and quality of reduced-fat Cheddar cheese Journal of Dairy Science, 84, pp. 1027-1033.

Johnson, M., Law, B. A. (2017). The Origins, Development and Basic Operations of Cheesemaking Technology. In Technology of cheesemaking. John Wiley & Sons Ltd., Oxford, pp. 68-97.

Mahaut, M., Jeantet, R., Brulé, G. (2003). Introducción a la tecnología quesera. Acribia S.A. ed., Zaragoza.

McSweeney, P. (2007). Introduction: How does rennet coagulate milk? In McSweeney, P. L. H.(ed.), Cheese Problems Solved. Woodhead Publishing Limited, Cambridge, UK, pp. 50–51).

Nicolau, N., Buffa, M., O’Callaghan, D.J., Guamis, B., Castillo, M. (2015). Estimation of clotting and cutting times in sheep cheese manufacture using NIR light backscatter. Dairy Science and Technology. 95, pp. 495–507.