UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Facultad de Oceanografía, Pesquería y Ciencias Alimentarias Escuela Profesional de Ingeniería Alimentaria
” MODELIZACION DE LA CONSISTENCIA DEL YOGURT AFLANADO (CINÉTICA DE ACIDIFICACIÓN, ESTABILIZACIÓN DEL COÁGULO, REOMETRÍA, EVALUACIÓN SENSORIAL DE LA CONSISTENCIA) Y PÉRDIDA DE SU CALIDAD.”
Presentado por el Bachiller Rubén Gustavo Castro Morales Tesis Para Optar al Titulo Profesional de Ingeniero Alimentario
LIMA – PERU 2005
Así está escrito: Destruiré la sabiduría de los sabios, y desecharé la prudencia de los prudentes (1aCarta de Pablo a los Corintios, 1, 19). ¿En dónde están los sabios?, ¿En dónde los escribas o doctores de la Ley?, ¿En dónde esos espíritus curiosos de las ciencias de este mundo?, ¿No es verdad que Dios ha convencido de fatua la sabiduría de este mundo? (1aCarta de Pablo a los Corintios, 1, 20). Porque ya que el mundo a vista de las obras de la sabiduría divina no conoció a Dios por medio de la ciencia humana, plugo a Dios salvar a los que creyesen en él por medio de la locura o simplicidad de la predicación de un Dios crucificado a (1 Carta de Pablo a los Corintios, 1,21).
DEDICATORIA
A Dios, por mostrarme su gran amor A mi familia, Carla Ana, mi esposa, y mis hijos, Karla Jimena, Gabriel Gonzalo (mi angelito) y Mateo Rafael Gonzalo. A mis padres, Carlos Alberto y Gloria Victoria. A mis hermanos, Alejandro Ignacio, Carlos Felipe, Patricia y Víctor Omar
Gloria
Por estar siempre a mi lado.
AGRADECIMIENTO:
A mi UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL, por acogerme en sus aulas y brindarme la educación profesional. A mi Facultad (FOPCA), por darme la oportunidad y depositar su confianza para ejecutar este trabajo de investigación. Al Dr. Nestor Teves Rivas, Decano de la Facultad, por su solidaridad y apoyo. A todos mis profesores que contribuyeron en mi formación profesional y especialmente al Ing. Olegario Marín Machuca y al Ing. Javier Chi Yong. Al Ing. Víctor Terry Calderón, por su apoyo como Director del presente trabajo. A mis compañeras y más amigas, las Ingenieras, Roxana Pinedo Torres, Lidia Barriga Sandoval y Clorinda Tirado, por su colaboración y sobre todo su amistad. Y a todos los miembros del Jurado, con los cuales comparto mi investigación.
Índice Introducción........................................................................................................ 12 Resumen.............................................................................................................. 14 Abstract…………………………………………………………………………. 17 1. Capitulo I.- Marco Teórico Conceptual……………………………… 18 1.1. Definición De Conceptos……………………………………………… 18 1.1.1. Teoría Básica En La Elaboración Del Yogurt……………………….. 18 1.1.2. Definición De Yogurt………………………………………………….. 20 1.1.3. Clasificación Del Yogurt……………………………………………..... 21 1.1.4 Composición Química Del Yogurt Natural………………………..... 22 1.1.5. Fundamentos Del Proceso De Elaboración Del Yogurt…………..... 23 1.1.6. Descripción De La Materia Prima, Ingredientes Y Aditivos……..... 49 1.1.7. Propiedades Gelificantes De Algunas Proteínas Alimenticias……. 67 1.1.8. Coagulación De La Leche……………………………………………... 69 1.1.9. Formación Del Coagulo Por Acidificación…………………………... 71 1.1.10. Formación Del Coágulo Del Yogurt………………………………….. 75 1.1.11. Papel de Los M.O. Productores de Sust. Viscosas en la Estructura de las Leches Fermentadas……………………………………………. 80 1.1.12. Factores que Determinan o Influencian la Estabilidad del Coagulo Isoelectrico……………………………………………………………… 81 1.1.13. Acidez, pH y Métodos De Valoración………………………………. 112 1.1.14. Viscosidad De Leche y Yogurt……………………………………….. 120 1.1.15. Viscosidad De Los Fluidos Proteicos…………………………........... 126 1.1.16. Fundamentos De Reología…………………………………………… 129 1.1.17. Reología En Alimentos………………..... 134 1.1.18. Factores que Influyen en el Comportamiento Reológico y Geometría ………………………………………………………………………… 150 2.Capitulo II.- Metodología…………………………………………… 160 2.1. Método Empleado…………………………………………………… 160 2.2. Hipótesis Central……………………………………………………. 160 2.3. Métodos De Análisis…………………………………………………. 162 2.4. Tipo De Investigación……………………………………………….. 162 2.5. Población……………………………………………………………… 163 2.6. Muestras………………………………………………………………. 163 2.7. Variables De Estudio………………………………………………… 163 2.8. Diseño de la Investigación………………………………………….. 163 2.8.1. Preparación de La Muestra………………………. 164 2.8.2. Cinética de Acidificación 2.8.3 Estabilidad Del Coagulo Formado En La Fermentación…………. 166 2.8.4 Viscosidad VNE Del Yogurt Aflanado En Función Del Agregado De Concentraciones Variables De Ingredientes Funcional………….. 166
2.8.5. 2.8.6. 2.8.7. 2.8.8 3.3.1. 3.2. 3.3 3.4
Reometría Del Yogurt Aflanado Pérdida De La Calidad Del Yogurt Aflanado…………………….. 170 Prueba Sensorial……………………………………………………... 171 Hipótesis De Trabajo………………………………………………… 171 Capitulo III.- Resultados……………………………………………. 172 Resultados……………………………………………………………. 172 Determinando los Modelos Matemáticos Empíricos……………. 175 Determinando La Cinética De Acidificación…………………….. 181 Determinación De La Razón De Cambio Instantánea Del Modelo Cinético De Acidificación……………………………………………………. 181 3.5 Análisis De La Varianza De Los Modelos De La Cinética De Acidificación 3.6 Determinación De Los Predictores Cinéticos……………………. 185 3.7 Análisis De La Variancia Del Tiempo De Fermentación Hasta La Fase Estacionaria………………………………………………………….. 189 3.8 Resultados De La Viscosidad Del Yogurt Elaborado Con Los Factores Considerados……………………………………………………….. 193 3.9 Análisis de La Varianza Para La VNE…………………………… 194 3.10 Determinación del Grado de Sinéresis…………………………... 196 3.11 Análisis de La Varianza Para El Grado De Sinéresis…………… 199 3.12 Estabilización del Yogurt Elaborado Con Los Parámetros Óptimos de La Fermentación………………………………………………………. 201 3.13 Determinación del Grado de Sinéresis En Función del Estabilizante “Supergelact”……………………………………………………… 204 3.14 Modelo Matemático Empírico Para Las Variables de Grado De Sinéresis En Función del Porcentaje de Estabilizante………………………… 205 3.15 Determinación de la Consistencia del Yogurt Aflanado en Función del Estabilizante “Supergelact”………………………………………. 207 3.16 Modelo Matemático Empírico de la VNE………………………. 208 3.17 Caracterización Reológica del Yogurt Aflanado………………. 212 3.18 Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado A 12°C……. 212 3.19 Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado A 15°C……. 224 3.20 Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado A 22°C…… 232 3.21 Dependencia con la Temperatura del Coeficiente De Consistencia 242 3.22 Coeficientes Reológicos del Yogurt Aflanado………………….. 244 3.23 Medida del ºSatisfacción de la Consistencia del Yogurt Aflanado 245 3.24. Perdida de La Calidad del Yogurt Aflanado…………………… 248 4.Capitulo IV.- Discusión de Resultados…………………………. 253 5.Capitulo V.- Conclusiones……………………………………….. 261 6.Capitulo VI.- Recomendaciones……………………………….... 266 7.Referencias Bibliografícas……………………………………….. 267
LISTA DE TABLAS Tabla 1:
Composición Media del Yogurt Natural…………………………
22
Tabla2 :
Efecto de la homogenización y del tratamiento térmico sobre la consistencia y viscosidad del yogurt……………………………..
27
Tabla 3:
Efecto de la temperatura sobre la leche en la pasteurización….
28
Tabla 4:
Concentraciones de los carbohidratos de las frutas más usadas.. 38
Tabla 5:
Colorantes
autorizados,
procedentes
exclusivamente
de
ingredientes añadidos como aromatizantes…………………… Tabla 6:
Tabla 10:
105
Variaciones De Las Fracciones Nitrogenadas De La Leche De Distintas Especies Tras El Tratamiento Térmico……
Tabla 9:
56
Efecto Del Tratamiento Térmico De La Leche Sobre La Actividad De Los Cultivos Estárter Del Yogurt…………..
Tabla 8:
42
Composición típica de una leche entera en polvo secada por atomización……………………………………………………….
Tabla 7:
los
106
Efecto Del Tratamiento Térmico Sobre El Proceso De Coagulación Durante La Fabricación De Yogurt…………..
108
Características De Flujo De Alimentos Líquidos………………
138
INTRODUCCIÓN La fermentación láctica o fermentación anoxidativa realizada por bacterias quimiotróficas (bacterias acido lácticas) obtiene su energía a partir de la lactosa para su metabolismo. La lactosa de la leche es transformada por vía oxidativa EMBDERMEYERHOF-PARNAS a partir de su hidrólisis éxoenzimática, es decir, fuera de la pared celular hasta glucosa y galactosa. En la leche la velocidad con que se produce esta transformación genera una reordenación y reconfiguración de las micelas de proteínas formando un coágulo de características diferenciadas. Esta cinética de consumo de la lactosa (fermentación) se ve influenciada por factores externos como la temperatura, la concentración de sustratos y la concentración inicial de las bacterias fermentativas ácido-lácticas, etc. Por ello, controlando estos factores podremos optimizar la coagulación de la leche, por ejemplo en la elaboración del yogurt aflanado. La estabilidad del coágulo formado por fermentación ácido láctica sé vera influenciado por la temperatura y la concentración del cultivo iniciador, determinando una cinética de la acidificación, que resuelve la estabilidad y la viscosidad del coagulo formado en la elaboración del yogurt aflanado. Esta característica podrá ser evaluada determinando los valores de grado de sineresis y viscosidad para cada combinación temperatura y concentración de cultivo iniciador ensayado.
de
Se conseguirá estabilizar y aumentar el valor de la viscosidad del coágulo formado en la fermentación láctica con la adición de una mezcla de ingredientes funcionales.
La optimización de esta
mezcla de ingredientes, se traduce en mayor viscosidad y menor grado de sineresis.
RESUMEN La presente investigación de tesis es de carácter tecnológico y centra todo su estudio en la operación de fermentación. El objetivo es elaborar un yogurt aflanado que presente un coágulo estable es decir de buena consistencia y bajo grado de sinéresis. El estudio plantea una investigación
de efectos fijos y con dos
factores (temperatura de fermentación y concentración del inoculo), cada uno con tres subniveles (30°C, 41°C, 43°C y 1%, 2%, 3%, respectivamente) Para ello se realizarón nueve fermentaciones a partir de una leche reconstituida con 14% de EST (extracto seco total). Y con un inóculo preparado de un cultivo super concentrado liofilizado con una relación de cepas de 9:1, S.Thermophillus y L. bulgariccus, respectivamente. Se
encontrarón
fermentaciones,
diferencias
significativas
para
todas
las
influenciadas marcadamente por el factor de
concentración del inóculo, determinando cada una un efecto diferenciado sobre la estabilidad del coágulo formado del yogurt aflanado. Las fermentaciones que produjeron la mayor estabilidad del coágulo fueron: o A 39°C y todas las concentraciones de inoculo consideradas en la presente tesis. o A 41°C con 1% de concentración del inoculo.
Se encontraron las mas altas viscosidades (VNE, viscosidad newtoniana equivalente) para las fermentaciones realizadas a 39°C, como también para la
fermentación a 41°C con 1% de
inóculo. Se determinó que las fermentaciones realizadas a 39°C con todas las concentraciones del inóculo presentarón el menor grado de sinéresis, lo mismo sucedió con la fermentación a 41°C con 1% de inóculo. Se logró la estabilización con la adición de un estabilizante elaborado a partir de una mezcla constituida por colágeno, pectina de bajo metoxilo y goma arabiga. sobre
volumen)
de
este
La adición de 0,8% (p/v, peso estabilizante
denominado
“SUPERGELACT” determinó una buena coagulación, es decir alta viscosidad y muy bajo grado de sinéresis. El yogurt aflanado elaborado a una temperatura de fermentación de 41°C con una concentración de inóculo de 1% al que se agregó 0,8% de “SUPERGELACT”, al ser sometido a las pruebas de deformación de flujo independientemente del tiempo, para las temperaturas de 12°C, 15°C y 22°C, consideradas en la presente investigación, reveló un comportamiento de fluido plástico (Modelo Herschel-Bulkley). Se determinó que la temperatura tenia una gran influencia sobre la viscosidad aparente y el coeficiente de consistencia, porque obtuvimos un valor alto de energia de activacion (Ea) igual a 82,5057 KJ / mol.
En la evaluación sensorial de la consistencia en escala hedónica, el 100% de los encuestados calificó en el rango de satisfacción y 70% calificó que le era muy agradable. En relación a la perdida de la calidad del yogurt determinamos que obedecía a una relacion básica para el deterioro de los alimentos de primer orden. Se estableció para la perdida de la calidad por dia, una cinética de 0.023 μ% Calidad Residual/día.
Abstract: The present investigation is exclusively technological and centers all its interest in the operation of fermentation. The target is to elaborate a yogurt “aflanado” (sort of crème caramel) that presents an stable coagulate, that is to say, of good consistency and low syneresis grade. The study outlines an investigation of fixed effects, with two factors (temperature of fermentation and concentration of inoculate), each factor with three sublevels (30°C, 41°C, 43°C and 1%, 2%, 3%, respectively). For they were carried out it 9 fermentations starting from a milk reconstituted with 14% of EST (total dry extract). And with an inoculate prepared of a freeze-dried superconcentrated culture with a relation of stocks of 9:1, S. Thermophilus and L. Bulgaricus, respectively. Were significant differences for all the fermentations. Noticeably influenced these fermentations by the factor of concentration of the inoculate, determining each one an effect differentiated on the stability from formed coagulate of yogurt. The fermentations that produced the greater stability of coagulate were: -
To 39°C and all its concentrations of inoculate considered in the present thesis.
-
To 41°C with 1% of concentration of inoculate.
Were highest viscosities (equivalent Newtonian viscosity) in all the fermentations made to 39°C. Also in the fermentation to 41°C with 1% of the inoculate. It was determined that the fermentations made to 39°C with all the concentrations of inoculate displayed the smaller degree of syneresis, the same happened to the fermentation to 41°C with 1% of inoculate. It was obtained the vegetable stabilization with the addition of to stabilizer elaborated from to it mixes constituted by collagen, dextrins and rubbers. The
addition of 0.8% (p/v, weight on volume) of this stabilizer (it called "SUPERGELACT") determined the stability, is to very say the high viscosity and under syneresis degree. Our Yogurt elaborated to a temperature of fermentation of 41°C with a concentration of the inoculate of 1% to which 0.8% of "SUPERGELACT" were added, to the being put under the tests of deformation of flow independently of the time, for the temperatures of 12°C, 15°C and 22°C, considered in the present investigation, revealed a behavior of plastic fluid (Herschel-Bulkley Model). One determined that the temperature tapeworm a great influence on apparent viscosity and the consistency coefficient, because we obtained a high value of energy of activation (Ea) equal to 82,5057 KJ/mol. In the sensorial evaluation of the consistency in hedonistic scale, the 100% of those polled described in the satisfaction rank and 70% described very pleasant. In relation to the lost one of the quality of yogurt we determined that it obeyed to a basic relation for the deterioration of foods of first order. One settled down for the lost one of the quality per day, a kinetic one of 0,023 µ% Residual Quality/day.
CAPITULO I.- MARCO TEORICO CONCEPTUAL
1.1.
DEFINICION DE CONCEPTOS
1.1.1.
Teoría del yogurt: El yogurt tiene como base 2 especies bacterianas que viven en él; ellos son: el Streptococcus thermophilus y el Lactobacillus bulgaricus
cuya
relación
cuantitativa
es
de
1:1
a
2:3
aproximadamente (Madrid, 1994). Esto varía durante el curso de acidificación, la causa de la variación estriba sobre todo en que el Lactobacillus bulgaricus desdobla fácilmente
las
proteínas,
favoreciendo
el
desarrollo
del
Streptococcus thermophilus, hasta el punto de llegar a ser 5 a 6 veces mayor que el bacilo, a un índice determinado de acidez (90ºD o 0.9% expresado en ácido láctico). Los cocos tienen un poder de acidificación menor que los bacilos, en cambio se desarrollan mejor cuando el índice de acidez es elevado (105ºD). Todo esto hace que la relación vuelva a equilibrarse o que predomine el número de los últimos (Madrid, 1994). La proporción entre ambos microorganismos influye también de manera especial en la aromatización del yogurt, siendo
el
L. bulgaricus el principal productor del aroma (Madrid, 1994). La temperatura más favorable para el desarrollo del S. thermophilus varía entre 38ºC a 44ºC, y del L. bulgariccus que oscila entre los 41ºC a 45ºC; influye así mismo la temperatura de incubación sobre la proporción entre estas 2 especies bacterianas. (Madrid, 1994).
1.1.2. Definición: Según la F.A.O./O.M.S. (1997) el yogurt es una leche coagulada obtenida por fermentación láctica ácida, producida por Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus thermophilus, de la leche pasteurizada con o sin adición de leche en polvo. Los microorganismos del producto final deben ser viables y abundantes. Según el Club Internacional de fabricantes de yogurt lo define como leche fermentada obtenida por multiplicación en ella de 2 bacterias lácticas específicas asociadas: Streptococcus thermophilus y Lactobacillus bulgaricus. Estas bacterias lácticas se cultivan en leche previamente pasteurizada, con
el fin de eliminar total o
parcialmente la flora microbiana preexistente. Después de la fermentación el yogurt se enfría a una temperatura comprendida entre 1ºC y 10ºC, excluyendo cualquier otro tratamiento térmico y listo para su consumo. Según el Reglamento Sanitario de Alimentos en su art. 301 y 308 define el yogurt, como leche entera o semidescremada, acidificada con agregado de ácido láctico o por fermentación láctica, para facilitar la digestibilidad de la leche en el niño. Esta leche se considera alimento de uso médico y por lo tanto sujeta en su producción y expendio a las regulaciones del presente reglamento. De acuerdo a la Norma Técnica Peruana (INDECOPI) (202.0921990) define al yogurt como el producto obtenido por la coagulación de la leche y la acidificación biológica, mediante la acción de fermentos lácticos de las especies Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus
thermophilus,
a
partir
de
la
leche
entera,
parcialmente descremada, reconstituida, recombinada, con un tratamiento térmico antes de la fermentación.
1.1.3. 1.1.3.1.
Clasificación del yogurt: (Tamime& Robinson, 1991). Por el método de elaboración •
Yogurt batido
Es el producto en el que la inoculación de la leche pasteurizada, se realiza en tanques de incubación, produciéndose en ellos la coagulación, luego se bate y se envasa, pudiéndose presentar en estado líquido o semisólido. •
Yogurt coagulado o aflanado
Es el producto en el que la leche pasteurizada, es envasada inmediatamente después de la inoculación, produciéndose la coagulación en el envase.
1.1.3.2
Por el contenido de grasa •
Yogurt entero
El contenido de grasa es igual o mayor al 3% en la leche destinada para elaborar el yogurt. Los sólidos totales no grasos de la leche estarán como mínimo en un 8,2%. •
Yogurt parcialmente descremado
El contenido de grasa en la leche se encuentra entre el 1% y 2,9%. •
Yogurt descremado
La materia grasa de la leche es menor al 1%. Sólidos totales no grasos de la leche debe corresponder como mínimo a un 8,6%.
1.1.3.3
Por el Sabor •
Yogurt natural
Es aquel sin adición alguna de saborizantes, azúcares y colorantes, permitiéndose solo la adición de estabilizadores y conservadores. •
Yogurt frutado
Es aquel al que se le ha agregado fruta procesada en trozos y aditivos permitido por la autoridad sanitaria.
•
Yogurt saborizado
Es aquel que tiene saborizantes naturales y/o artificiales y otros aditivos permitidos por la autoridad sanitaria.
1.1.4.
Composición química del yogurt natural La tabla 1, muestra la composición media del yogurt natural donde se observa que el extracto seco presenta mayor porcentaje a diferencia de los demás componentes.
Tabla 1: Composición Media del Yogurt Composición Media del Yogurt Natural (g) Extracto Seco
12,00 – 13,00
Grasa
3,00 – 3,75
Proteína bruta
3,10 – 3,60
Carbohidrato
3,50 – 4,00
Ceniza
0,70 – 0,80
Lactosa
2,50 – 3,00
Proteína de Suero
0,60 – 0,70
Caseína
2,30 – 2,80
Acido Láctico
0,80 – 1,10
Acido Cítrico
0,15 – 0,20
Energía (Kj)
255
Fuente: Walstra (1984).
1.1.5
FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL YOGURT
1.1.5.1
Producción y conservación de cultivos estárter Los cultivos de yogurt contienen 2 especies microbianas, S. thermophillus y L. Bulgariccus y, puesto que casi siempre se cultivan y resiembran juntos, se denominan cepas mixtas de estárter. Los cultivos microbianos se guardan en pequeñas cantidades conocidas como cultivos de reserva. Cuando estos
cultivos se reactivan para su utilización en las industrias lácteas, se recurre a sistemas de siembra a gran escala con objeto de obtener el volumen necesario. Por ejemplo, para una producción de 25.000 litros de yogurt al día partiendo de un inoculo del 2% se necesitan 500 litros de estárter. Las etapas del proceso de siembra son: 2% Reserva
2%
Madre
2%
Intermedio
4ml
Final
200 ml
2%
Tanque de elaboración 10 L
500 L
Los cultivos de reserva y madre se siembran en el laboratorio pero el intermedio y el final o definitivo se preparan en la sala de cultivos estárter de la industria. Un
cultivo
estárter
definitivo
debe
reunir
las
siguientes
características: o
Debe contener el máximo número de células viables;
o
Debe estar libre de contaminantes, como coliformes, mohos o levaduras;
o
Debe presentar actividad en las condiciones de procesado, por lo que el mantenimiento de los cultivos intermedios es extremadamente importante. (Tamime & Robinson, 1991).
1.1.5.1.1.
Cultivos deshidratados La deshidratación es otro método de conservación de los cultivos estárter de yogurt. Entre las distintas técnicas aplicables se encuentran: o
Deshidratación a vacío.
o
Deshidratación por atomización.
o
Liofilización.
o
Liofilización
de
cultivos
previamente
concentrados,
obteniéndose cultivos concentrados liofilizados (CCL).
Los principales objetos de estos sistemas de concentración son: primero, reducir el trabajo que implica el mantenimiento de los cultivos líquidos; segundo, mejorar la viabilidad de los cultivos conservados y, tercero, facilitar el envío de los cultivos por correo sin que se produzca una pérdida importante de su actividad. (Tamime & Robinson, 1991)
1.1.5.1.2.
Cultivos de Yogurt liofilizados Los
cultivos
de
yogurt
liofilizados
se
obtienen
mediante
deshidratación de los cultivos previamente congelados. Este método de conservación de los cultivos estárter goza de gran popularidad y permite aumentar la seguridad de los cultivos conservados, garantizado un elevado número de microorganismos viables y un máximo porcentaje de supervivencia durante su almacenamiento, en comparación con los cultivos deshidratados a vacío o por pulverización. La tasa de supervivencia de los cultivos liofilizados es elevada, siendo necesaria una pequeña cantidad para inocular el cultivo madre. (Tamime & Robinson, 1991)
1.1.5.2.
Estandarización del Extracto seco El aumento del extracto seco de la mezcla destinada a la elaboración de yogurt se puede lograr por diversos métodos entre los que se incluyen: ((Tamime & Robinson, 1991) • El
Método tradicional método
de
concentración
de
la
leche
más
utilizado
tradicionalmente ha sido el calentamiento de la misma. Este consiste en mantener la leche en ebullición hasta reducir el volumen a 2/3 del valor inicial y, aunque el objetivo principal es el aumento del extracto seco total de la leche, determina otras
muchas modificaciones físico-químicas. El grado de concentración conseguido mediante el mantenimiento de la ebullición no se puede calcular con precisión, pero sí aproximadamente. Por ejemplo, partiendo de una leche con un extracto seco del 13%, una concentración hasta un volumen equivalente a 2/3 del inicial supone un incremento del extracto seco total hasta un 19 - 20% aprox. Este método de enriquecimiento continúa siendo utilizado en comunidades rurales que producen yogurt a pequeña escala. •
Adición de leche en polvo
En la industria es muy frecuente la utilización de leche en polvo, entera o desnatada, para el enriquecimiento de la leche destinada a la elaboración de yogurt de consistencia espesa y suave. En Reino Unido, el ingrediente más empleado es posiblemente la leche en polvo desnatada, ya que la mayoría del yogurt que se comercializa es desnatado. La proporción de leche en polvo añadida a la mezcla base puede oscilar de un 1 a un 6%, recomendándose por lo general valores del 3 - 4%, ya que si se añade porcentajes superiores ello puede conferir al yogurt “sabor a polvo”.
1.1.5.3.
•
Adición de mazada en Polvo (de mantequilla)
•
Adición del suero de leche en polvo
•
Adición de caseína en polvo
•
Concentración por evaporación
•
Concentración por filtración por membranas
Tratamiento Térmico Aunque el calentamiento de la leche por ebullición ha sido utilizado en el proceso de elaboración de Yogurt como método para conseguir incrementar la concentración de extracto seco lácteo en la mezcla base, los efectos del tratamiento térmico se pueden resumir fundamentalmente en los siguientes:
(a) Destrucción y/o eliminación de microorganismos patógenos y otros microorganismos indeseables. (b) Protección de factores estimulantes o inhibidores de los cultivos estárter del yogurt. (c)
Cambios
en
las
propiedades
físico-químicas
de
los
componentes de la leche. (Tamime & Robinson, 1991)
Tabla 2: Efecto de la homogenización y del tratamiento térmico sobre la consistencia viscosidad del yogurt Tratamiento térmico de la leche 30 minutos a Determinación de la consistencia/viscosid 70ºC ad del yogurt
86ºC
95ºC
B
A
B
A
B
A
B
Viscosímetro de bola 3,0
>15,
1,5
10,5
1,2
6,0
1,2
2,7
(profundidad en cm)
0
Embudo
5,0
14,0
7,5
17,0
8,5
18,7
9,0
Posthumus
A
78ºC
de 9,0 (tiempo
en segundos)
Por el método del “viscosímetro de bola”, cuanto mayor es la profundidad menos espeso es el producto. Con el método del embudo de Posthumus cuanto mayor es el tiempo necesario para que el yogurt pase por el embudo, más viscoso es el producto. A – Leche homogenizada. B – Leche no homogenizada.
(Tamime & Robinson, 1991)
Tabla 3: Efecto de la temperatura sobre la leche en la pasteurización Combinaciones de temperatura-tiempo utilizados para el tratamiento de la leche y la mezcla base para la elaboración de yogurt T (ºC)
30 minutos
65
15
72
segundos *30
Tratamiento Baja Pasteurización
Tiempo
85
*5 minutos
temperatura-
tiempo
prolongado
(mantenimiento) Alta
aprox.
el
99%
de
las
formas vegetativas
temperatura, temperatura,
tiempo 90-95
Permiten la destrucción de
tiempo breve (HTST) Alta
segundos
Observaciones
prolongado
Destruye todas las formas vegetativas
y
(HTLT)
probablemente
Temperatura muy alta,
esporos.
tiempo breve (VHTST)
Igual que el anterior, pero permite la destrucción de
20 minutos
110-
Esterilización
(+)
115
convencional
en
algunos
casi todos los esporos.
botellas
*16
135
segundos 1-2
140
segundos 150
0,8 segundos
UHT
Temperatura ultra-alta
*3 segundos 115
a
baja
Destruyen
todos
temperatura
microorganismos,
UHT tiempo prolongado
incluyendo
los
los
esporos,
excepto los tratamientos UHT de baja temperatura.
UHT Tratamiento
UHT
francés (ATAD)
* Tratamiento térmicos frecuentemente utilizados en la industria del yogurt (+) Suponen un mantenimiento más prolongado Adaptado de Davis (1968), Ged y Alais (1976), Lyster (1979); citado Tamine (1991)
1.1.5.4.
Operación de Fermentación Durante la elaboración del yogur la leche, una vez sometida al tratamiento térmico, se enfría hasta la temperatura de incubación del cultivo estárter (S. thermophilus y L. bulgaricus) y la fermentación tiene lugar por lo general a temperaturas de 40 45ºC, es decir, en las condiciones óptimas de crecimiento del
cultivo mixto (método de incubación corto). En algunos casos el período de incubación puede ser de sólo dos horas y media, para cultivos estárter activos (3%) con una relación bacilos/cocos adecuada. No obstante, también puede recurrirse a métodos de incubación largos, a 30ºC durante toda una noche (18 horas) o hasta alcanzar la acidez deseada. La fase de fermentación propiamente dicha puede tener lugar en los envases de comercialización, en el caso de la elaboración de yogurt tradicional, o en tanques, para la elaboración de yogurt batido. No obstante, independientemente del tipo de yogurt elaborado,
las
reacciones
bioquímicas
responsables
de
la
formación del gel/coágulo son exactamente las mismas. La única diferencia real entre el yogurt tradicional y el yogurt batido estriba en las propiedades reológicas del coágulo, ya que en el primer tipo la leche se deja en reposo durante el período de incubación, lo que determina la formación de un gel contínuo semisólido, mientras que el yogurt batido resulta de la ruptura de la estructura del gel al final del período de incubación, antes del enfriamiento y tratamiento posterior. En resumen, la formación del gel que constituye el yogurt es el resultado de las siguientes modificaciones físicas y químicas de la leche: (Tamime & Robinson, 1991) (a) Los estárters del yogurt metabolizan la lactosa presente en la leche para cubrir sus necesidades energéticas, dando lugar a la formación de ácido láctico y de otros compuestos importantes. (b) La producción gradual de ácido láctico comienza a desestabilizar los complejos de caseína-proteínas del lactosuero desnaturalizadas, por solubilización del fosfato cálcico y de los citratos.
o
(c) Los agregados de micelas de caseína y/o las micelas aisladas se van asociando y coalescen parcialmente a medida que el pH se aproxima a su punto isoeléctrico, es decir, 4,6 - 4,7. (Tamime & Robinson, 1991)
Es probable que la interacción de la α-La/β-Lg con la k-caseína a través de los grupos SH con la formación de puentes disulfuro proteja parcialmente a las micelas frente a una compleja desestabilización o ruptura, por lo que la red del gel o matriz queda formada por una estructura regular que atrapa en su interior al resto de los componentes de la mezcla base, incluyendo la fase acuosa. (Tamine & Robinson, 1991)
1.1.5.5.
Enfriamiento Post-fermentación •
Enfriamiento en una sola fase
En este proceso el coágulo se enfría directamente desde la temperatura de incubación hasta temperaturas inferiores a 10ºC antes de proceder a la adición de los agentes aromatizantes y al envasado del producto. El fundamento de este método es que el coágulo es más estable a bajas temperaturas que a temperaturas superiores a 20ºC, por lo que tienen lugar menos alteraciones durante
las
etapas
posteriores,
es
decir,
durante
las
manipulaciones necesarias para la adición de frutas y aromas o durante el envasado para la posterior comercialización. •
Enfriamiento de dos fases
Durante la primera fase del proceso se reduce la temperatura del coágulo de 30 - 45ºC a 15 - 20ºC, antes de la adición de los aromatizantes y del envasado. La segunda fase de enfriamiento se realiza en cámaras de refrigeración en las que el yogurt se enfría hasta temperaturas inferiores a 10ºC. El enfriamiento final tiene lugar por tanto en el envase de comercialización, mejorando
notablemente la viscosidad del producto tras 1-2 días de almacenamiento en reposo. Estos dos tipos de refrigeración son muy utilizados en la industria para la elaboración de yogurt de características y viscosidad apropiadas, siendo difícil la elección de uno u otro. No obstante, la influencia de la velocidad de enfriamiento sobre las propiedades físicas del yogurt batido ha sido recientemente evaluada en el “Danish Dairy Research Institute” (Anon. 1977) y de este estudio se han publicado las siguientes conclusiones y recomendaciones: (a) La calidad del yogurt batido puede mejorar notablemente envasando el yogurt a 24ºC y refrigerando a continuación el producto envasado. (b) Para lograr un yogurt de máxima calidad, la segunda fase de enfriamiento debe llevarse a cabo tan lentamente como sea posible, durante un período de unas 12 horas. (c) La concentración de la leche para la elaboración de yogurt, por ejemplo por evaporación, eliminando un 10% del agua aproximadamente, es el factor que más mejora la calidad del yogurt. (d) El procedimiento de refrigeración recomendado es el siguiente: - Agitar el yogurt en el tanque de incubación hasta lograr una mezcla homogénea antes de proceder a su refrigeración. - Enfriar el yogurt hasta temperaturas de unos 24ºC (1ºfase) y envasar el producto. - Refrigerar el yogurt envasado (2ºfase) en una cámara de refrigeración controlada por un termostato de 2 etapas, que permita mantener la temperatura del aire a 7-10ºC durante las primeras 5-6 horas y a 1-2ºC el resto del tiempo.
- Para conseguir un enfriamiento uniforme del producto es aconsejable forzar la circulación del aire en las cámaras de refrigeración. - El diseño y construcción de los embalajes y de los materiales
de
envasado
puede
condicionar
la
velocidad de enfriamiento del yogurt envasado. Debe señalarse que el enfriamiento del yogurt comienza a valores de pH relativamente altos y que por tanto la velocidad de enfriamiento (lenta o rápida) condiciona la acidez final del producto.
1.1.5.6.
Adición de Emulsionantes y Estabilizantes Se emplean emulsionantes y estabilizantes cuya utilización está regulada por la legislación vigente de la mayoría de los países. En el ámbito internacional la FAO/WHO (1976) han elaborado una lista de componentes y de concentraciones que pueden ser adicionados al yogurt. En el cuadro 1 se muestran algunos estabilizantes autorizados por la FAO/WHO (1976) y la Food and Drugs Acta (1975/1980). La finalidad es mejorar y mantener las características deseables del yogurt, textura, viscosidad, consistencia, aspecto y cuerpo.
Cuadro 1 Clasificación y Función de los distintos tipos de gomas que pueden utilizarse en la fabricación de Yogurt GOMAS NATURALES
GOMAS MODIFICADAS
GOMAS SINTÉTICAS
VEGETALES EXUDADOS
DERIVADOS DE CELULOSA (1)
POLÍMEROS (*)
Goma arábica (1.3)
CMC
Derivados del polivinilo
Goma tragacanto (1)
metilcelulosa
Goma Karaya
hidroxietilcelulosa
Derivados del polietileno
hidroxipropilcelulosa EXTRACTOS Pectinas (2,3)
celulosa microcristalina
HARINAS DE SEMILLAS
PRODUCTOS
DEL
METABOLISMO
Harina de grano de algarroba MICROBIANO (Garrofín) Dextranos
Goma de guar
Xantanos (1,B) GOMA
DE
ALGAS-
EXTRACTOS
OTROS
Agar (2-3)
Pectinas
Alginatos (1,2,3)
contenido de metóxido (estéres metílicos).
Carragenatos (2,3)
Propilen glivol alginatos
poco
metoxiladas
con
bajo
Furcellaran (1,2,3)
ALMIDONES Cereales:
Almidones pregelificados
Trigo
Almidones modificados
Maíz
Almidones carboximetilados
Animales:
Almidones con grupos hidorxietil
Gelatinas
Almidones con grupos hidroxipropil
Caseínas
OTROS VEGETALES: Proteína de soya
Tamine (1991) (*) Su utilización en el yogurt está limitada ya que no están incluidos en las listas positivas de la “Food and Drugs (1975; 1980)”, ni en la FAO/WHO (1976) La dosis permitida para estos estabilizantes en yogurt es de 0,5 g/kg; excepto para pectinas, gelatina y almidón que es de 10 g/kg. Las cifras indicadas entre paréntesis hacen referencia a la acción de hidrocoloide indicado, es decir: (1) espesante; (2) gelificante; (3) estabilizante.
El coágulo del yogurt es normalmente sometido a un tratamiento mecánico durante su elaboración como por ejemplo: (a) Mezcla para incorporar la fruta o aroma del coágulo,. Seguido de un bombeo al envasado. (b) Tratamiento térmico post-fermentación (pasteurización) UHT . (c) Agitación del tanque de fermentación hacia el tanque de refrigeración. Todo ello puede causar la disminución de la viscosidad o caso extremo una separación del suero; este tipo de defectos puede solventarse gracias a la adición de estabilizantes. Su adición al yogurt incluye dos funciones: - Retención de agua. - Favorece en un aumento la viscosidad (Boyle, 1972). Estos estabilizantes se pueden añadir solos o combinados entre ellos siendo lo último lo más frecuente, ya que las preparaciones comerciales son una mezcla de diferentes estabilizantes. La elección de un determinado estabilizante depende de diferentes factores como: 1) Propiedades funcionales, efectos y/o modos de acción del compuesto elegido. 2) Concentración óptima a utilizar: está limitada por las normas legales (FAO/WHO, 1976; UK Food Standars, 1975), y/o efectos secundarios de los mismos. Por ejemplo: un aumento de los estabilizantes equivale a decir que obtenemos un aspecto de palatividad indeseable. Las concentraciones más recomendadas para los estabilizantes del yogurt son: - 0,02 - 0,2% pectinas, almidones modificados. - 0,2 - 0,5% agar agar, goma de algarrobo, goma de guar, alginatos, gelatinas, carragenatos. - 1 - 2% preparaciones de almidón.
Otro
factor
que
condiciona
la
concentración de los
estabilizantes que pueden ser añadidos a la leche para el yogurt es el porcentaje de extracto seco total, las condiciones óptimas para una mezcla de gelatina/gomas vegetales son: 0,05%; 0,15%; 0,40%; 0,30%; 0,25% para leches con extracto total de 12,5%; 14,5%; 16,5%; 19,0%; 22% respectivamente. 3) Efectos tóxicos inhibidores: la mayoría de ellos no presentan un efecto inhibidor sobre los microorganismos del yogurt y las concentraciones normalmente usadas. Sólo la goma de tragacanto y la goma de algarrobo todavía son objeto de estudios toxicológicos para evaluar su posible uso como aditivo alimentario (FAO/WHO, 1976). 4) Aspectos legales: Las normas legales son diferentes en cada país y no todos son estabilizantes autorizados. 5) Solubilidad y disolución: Algunos preparados de almidón y carragenatos sólidos son solubles a bajas temperaturas por lo que se adiciona a la leche fría. La mayoría son solubles a temperaturas elevadas de 50 85ºC (excepto el agar agar: 90 - 95ºC) por lo que en la práctica estos estabilizantes se añaden a la leche empleada, justo antes de la pasteurización o a la leche caliente, una vez terminado el tratamiento térmico. En estos casos para lograr la disolución completa es preciso mantener por un tiempo a altas temperaturas para lograr realmente el resultado activo del estabilizante. 6) Efectos de la caseína: La adición de algunos hidrocoloides (CMC sódica, goma de guar, goma de algarrobo) a bajas concentraciones
(0,05%),
puede
implicar
una
desestabilización de las micelas de la caseína (Powell, 1969) y aunque éstas llegan finalmente a coagular, la matriz
formada tiene una capacidad de retención de agua limitada, por lo tanto, existe sinéresis. Las micelas de la caseína desestabilizadas dan un coágulo de estructura abierta, sin embargo pueden minimizarse mezclando los compuestos anteriormente mencionados con carragenatos y alginatos. 7) Condiciones del proceso: Se han desarrollado diferentes tipos de productos a base de cuya calidad depende el tipo de estabilizante. 8) En la elaboración de yogurt pasteurizado, UHT o de larga conservación es aconsejable la adición de un agente gelificante constituido por una mezcla de goma de algarroba, agar-agar y/o xantano (Anon, 1980a). La presencia de derivados de almidón (por ejm.diamilopectina gliceroleter o fosfato de diamilo-pectina) puede mejorar considerablemente el aspecto del yogurt sometido a tratamiento térmico. 9)
Gautneb,
Steinholt
y
Abrahamsen
(1979)
han
recomendado la utilización en la elaboración de yogurt congelado
de
una
mezcla
no
específica
de
estabilizantes/emulsionantes, pero se ha comprobado que la adición de almidones modificados no proporciona resultados satisfactorios (Winterton, et al., 1987). 10) Luczynska et al. (1978) han indicado una notable mejora de la viscosidad del yogurt batido gracias a la adición de una mezcla de un 1% de un proteinato sódico (probablemente caseinato sódico), un 0,1% de frimulsión J5, un 0,1% de Goma Genu CH200, un 0,3% de carragenato de Genu con maltodextrina o un 0,16% de frimulsión JQ. 11) La adición de un 0,25% de un estabilizante a base de agar-agar a yogurt líquido “para beber”, ayuda a mantener la suspensión de las frutas en el producto (Luczynska et al, 1978).
12) La adición de almidón de maíz y lecitina o monoestearato de glicerol a la leche fermentada antes de proceder a su deshidratación mejora considerablemente la calidad del “Dahi liofilizado” (Baisya & Bose, 1975). Puesto que la caseína puede precipitar en la leche antes de la acidificación o durante el desarrollo de la misma, algunos estabilizantes pueden ser añadidos después de la formación del coágulo. En este caso se recomienda mezclar el estabilizante (ya sea agar-agar líquido o gelatina “prehinchada”) con el azúcar e incorporarlo al coágulo. (Tamine & Robinson, 1991).
1.1.5.7.
Adición de Azúcares y/o Edulcorantes La finalidad de adición de azúcares es para atenuar la acidez del producto. La cantidad de los mismos depende: (Tamime & Robinson, 1991) o
El tipo de agente edulcorante a usar.
o
La preferencia del consumidor.
o
La fruta utilizada.
o
Posibles efectos inhibidores sobre los microorganismos estárter del yogurt.
o
Las limitaciones legales.
o
Consideraciones económicas.
o
El yogurt de fruta y el yogurt aromatizado contienen por término medio hasta 20% de carbohidratos los cuales proceden de: (Tamime & Robinson, 1991) •
La
leche
(lactosa,
galactosa,
glucosa)
cuya
concentración varía en función al extracto seco total de la mezcla base y del método empleado para lograr un incremento del mismo.
•
Los azúcares en las frutas añadidas (sacarosa, fructuosa, glucosa y maltosa).
•
Los azúcares añadidos por los fabricantes de yogurt ó de las mezclas de frutas.
Las frutas contienen diferentes concentraciones y tipos de carbohidratos naturales oscilando: 1,6% como el limón hasta 65% en pasas como figura en la tabla 4.
Tabla 4 Concentraciones de los carbohidratos de las frutas más usadas Fruta
% de Concentración
Limón
1,6%
Fresa
6,2%
Albaricoque
7,5%
Melocotón
9,0%
Piña
11,6%
Cereza
12,0%
Mandarina
14,2%
Pasas
65,0%
(Tamime & Robinson, 1991)
Los principales carbohidratos en las frutas son glucosa, galactosa, fructuosa, maltosa, pero el sabor dulce de la fruta depende de la concentración y tipo de carbohidrato presente en ella. Los preparados de fruta utilizados en la industria del yogurt se engloban en dos categorías: o
Conservas de fruta a las que no se le ha añadido ningún edulcorante.
o
Las frutas a las que se les adicionaron azúcares y/o edulcorantes, este último es más frecuente en su uso según . La concentración de edulcorantes o azúcares añadidos a los
preparados de frutas destinadas a la producción de yogurt oscila de 26 - 65%, siendo la concentración más frecuente la de 30 - 35% (Tamime & Robinson, 1991) Los métodos más usados en la adición de agentes edulcorantes o azúcares son: o
Adición por los fabricantes de yogurt hasta 5% del agente edulcorante o azúcares a la mezcla base.
o
Adición de un preparado de fruta ya edulcorada o azucarada para lograr el dulzor deseado en el producto. (Tamine & Robinson, 1987; Tamine & Robinson, 1991).
1.1.5.8.
Adición de aromatizantes y colorantes •
Adición de frutas
Se pueden utilizar frescas, pero el carácter estacional de la producción de las mismas y la variabilidad de su calidad limita considerablemente su utilización en la industria, siendo más populares las conservas de frutas, especialmente por la posibilidad de estandarizar la mezcla de frutas con objeto de cubrir las especificaciones requeridas por los consumidores. Estos tipos de frutas se pueden clasificar el modo siguiente: (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991). o
Confitura de frutas.
o
Frutas en conserva.
o
Frutas congeladas.
o
Pures de frutas.
o
Jarabes de frutas y
o
Mermeladas. •
Adición de aromatizantes
El tratamiento térmico de los preparados de frutas puede originar una disminución de la intensidad del aroma, por lo que
frecuentemente
se
adicionan
agentes
aromatizantes
para
compensar estas pérdidas. Los aromatizantes se dividen en función de su origen en tres grupos: o
Aromas y aromatizantes naturales origen botánico.
o
Sustancias aromatizantes idénticas a las naturales.
o
Sustancias aromatizantes sintéticas o artificiales (origen químico).
Aunque esta clasificación puede aparecer muy simple, en realidad engloba miles de sustancias. Los aromatizantes químicos o sintéticos son utilizados a veces debido a su aroma semejante al ingrediente natural pero la lista de compuestos permitidos varían de unos países a otros. En Reino Unido el Food Standars Comitee (1965, 1976) ha propuesto una lista de aromatizantes autorizados para su adición a los alimentos, pero no tiene carácter legal. Estos compuestos también se utilizan para la elaboración de yogurt tradicional, yogurt batido, yogurt líquido, yogurt congelado y, posiblemente, yogurt deshidratado o aromatizado. (Tamine & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991).
•
Otros agentes aromatizantes
Para la elaboración de yogurt aromatizado se utilizan distintos productos
alimenticios
y
alimentarios,
incluyendo
bebidas
alcohólicas, por ejemplo: o Productos dulces (miel, jarabe de arce, caramelo de azúcar con mantequilla). o Frutos secos (coco, avellana, nueces, nueces del Brasil). o Cereales (muesli). o Hortalizas (pepino, tomate, apio). o Otros (café, moka, especias, pimentón, vainilla). (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robison, 1991).
•
Adición de colorantes
La adición de colorantes a los yogures de frutas o aromatizados persigue aumentar el atractivo del producto. Las sustancias utilizadas pueden ser colorantes naturales o sintéticos. La lista de colorantes autorizados como aditivos alimentarios en Reino Unido incluye unos 39 compuestos y su inclusión es apoyada por la Food And Drugs Act, 1973 (modificaciones de 1975, 1976 y 1978). En otros países existen listas similares, pero hay que resaltar que los colorantes autorizados no son los mismos en todos los países. No obstante, la FAO/WHO (1976) ha establecido unas orientaciones sobre los colorantes y las concentraciones a las que pueden ser utilizados en el yogurt, suponiendo que estos agentes provienen directamente de las frutas o aromatizantes. (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991).
Tabla 5: Colorantes autorizados, procedentes exclusivamente de los ingredientes añadidos como aromatizantes Colorante
Número del
Concentración
índice de colores
máxima (mg/kg)
(1971) Tartrazina
19140
18
Amarillo anaranjado S
15985
12
Cochinilla o ácido carmínico
75470
20
Azorrubina
14720
57
Ponceau 4R
16255
48
Eritrosina BS
45430
27
Indigo carmín
73015
6
44090
2
-
150
28440
12
Betanina
-
250
Marrón chocolate FB
-
30
Rojo 2G
18050
30
Azul No.1 (Azul Brillante FCF)
42090
-
-
-
Verde Acido Brillante BS o Verde Lisamina Caramelo 3 Negro brillante BN
Otros
colorantes
extraídos
de
naturales frutas
u
hortalizas * Discutido toxicológicamente Tomado de FAO/WHO (1976)
1.1.5.9. Envasado El envasado es una etapa muy importante del proceso de elaboración de yogurt. Paine (1967) definió el objetivo del envasado de alimentos del siguiente modo: “El envasado es una forma de asegurar la distribución del producto hasta el consumidor final en adecuadas condiciones y con un mínimo costo”.
Por tanto es obvio que si el yogurt debe llegar hasta el consumidor en adecuadas condiciones el material de envasado juega un importante papel. En general, los materiales de envasado en contacto directo con los alimentos deben ser atóxicos y químicamente inertes, es decir, no reaccionar con el producto que contienen. Por estas razones los plásticos son ampliamente utilizados en la industria láctea y, debido a la naturaleza ácido del producto, el material más adecuado para las tapas son las láminas de aluminio o, preferiblemente los materiales plásticos para sistemas de fácil apertura. Las distintas tendencias en la comercialización de yogurt han evolucionado dentro de este marco general. (Tamine & Robinson, 1987; Tamine & Robinson, 1991). •
Envases semirígidos
Estos envases se fabrican normalmente con plásticos. Los actuales plásticos, es decir materiales poliméricos, son relativamente inertes, pero en el producto acabado pueden quedar residuos de los reactivos químicos y monómeros empleados para su fabricación. Aunque dichos compuestos pueden ser inocuos “per se”, pueden reaccionar
con
los
alimentos
contenidos
en
los
envases
confiriéndoles determinados flavors anómalos, por lo que deben extremarse las precauciones para garantizar la ausencia de este tipo de compuestos. En
el
caso
del
yogurt,
los
envases
utilizados
para
la
comercialización del mismo deben ser resistentes a los ácidos, evitar la pérdida de las sustancias volátiles responsables del aroma del producto e impermeables al oxígeno, ya que este favorece el crecimiento de mohos y levaduras.
Entre los distintos materiales que pueden ser utilizados para la fabricación de envases para yogurt se incluyen: Polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), cloruro de polivinilo (PVC) y cloruro de polivinilideno (PVDC). Los envases finales, denominados tarrinas o copas, pueden fabricarse de cualquier forma o diseño que resulte atractivo para el consumidor. Independientemente del tipo de recipiente empleado,
el cierre de
los mismos suele hacerse con láminas de aluminio (de corona, con bordes plegados o termoselladas) o con tapas de plástico a presión. Las tapas termoselladas son más populares, ya que confieren a los recipientes resistencia al agua, con lo que se evita la contaminación y filtración. Las láminas de aluminio son utilizadas por su escasa o nula permeabilidad a los gases y olores, opacidad, aspecto brillante y facilidad para ser decoradas. Debido a la naturaleza ácida del yogurt es aconsejable barnizar estas láminas para evitar la corrosión de las mismas y posibilitar la adhesión durante el termosellado. El revestimiento de las láminas de aluminio debe hacerse con PE, copolímeros de acetato de etileno (EVA), PS, o PVC. En ocasiones se utilizan también tapas de plástico termoselladas.
(Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson,
1991)
1.1.5.10.
Embalajes Los materiales de embalaje no contactan con el yogurt, pero son de gran importancia en la industria por facilitar el manejo y almacenamiento de los recipientes durante la comercialización, transporte y distribución a los supermercados y minoristas.
Se pueden utilizar distintos tipos de embalajes, los cuales se dividen en dos grandes grupos: o
Retornables.
o
De un solo uso.
Los embalajes reutilizables son de metal o plástico rígidos pero, por los problemas derivados de su almacenamiento, en general no son muy utilizados. Los embalajes de metal son bastante empleados para la comercialización de yogurt envasado en recipientes de vidrio, cuya incubación se lleva a cabo en baño de agua. Los embalajes de un solo uso son más utilizados que los reutilizables, pudiendo clasificarse en los siguientes grupos: o
Embalajes de plástico semirígidos.
o
Bandejas de plástico flexible o de cualquier otro material similar. (Anon, 1980)
o
Bandejas de cartón. (Anon, 1982)
Los dos últimos tipos de bandejas pueden cubrirse con material termosellable o, alternativamente, presentarse apiladas unas sobre otras en el interior de cajas de cartón. La elección del sistema de embalaje depende principalmente de: o
El costo,
o
El grado de mecanización.
o
La facilidad de distribución y comercialización.
o
La facilidad para su apilamiento y posibilidad de circulación del aire frío entre ellas durante su almacenamiento en refrigeración.
Este último aspecto es muy importante cuando el yogurt se envasa a 20ºC y la refrigeración final tiene lugar en las cámaras frigoríficas de almacenamiento. En las grandes empresas las bandejas (cubiertas con material termosellable) y las cajas de cartón conteniendo los yogures son normalmente apiladas sobre palés de madera que son elevados mediante carretillas adecuadas que facilitan notablemente su transporte desde el área de producción a los almacenes frigoríficos. También pueden utilizarse estanterías metálicas transportables, por ejemplo del tipo Tetra-tainer, del grupo Tetra. Los envases conteniendo el yogurt, una vez colocados en sus embalajes de comercialización se colocan en estas estanterías, que presentan la ventaja de la facilidad de transporte, resultando de gran utilidad para: o
El transporte desde los almacenes frigoríficos a los vehículos de reparto.
o
El transporte desde los vehículos de reparto a las cámaras frigoríficas de los supermercados.
De este modo los envases de comercialización no son manipulados desde que salen de la industria hasta que son adquiridos por el consumidor. (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991)
1.1.5.11.
Almacenamiento frigorífico, transporte y distribución La refrigeración del yogurt a temperaturas inferiores a 10ºC y su mantenimiento a esta temperatura hasta el momento de su venta facilitan el enlentecimiento de las reacciones bioquímicas y biológicas que tienen lugar en el producto. Las reacciones
biológicas son el resultado de la actividad metabólica de los estárters del yogurt y posiblemente de los microorganismos contaminantes que resisten el tratamiento térmico y los procesos de fermentación, o bien contaminan el producto tras su elaboración, por ejemplo levaduras y mohos. Las reacciones bioquímicas incluyen: o
Oxidación de las grasas en presencia de oxígeno.
o
Hidratación de las proteínas.
o
Modificación del color de las frutas adicionadas, que se vuelven más pálidas debido a la acidez del producto.
o
Ligera deshidratación con el consiguiente cambio de aspecto del yogurt.
o
Mejora de la viscosidad y consistencia del producto durante el almacenamiento, gracias a la hidratación de los estabilizantes añadidos y/o a las pectinas de las frutas.
La refrigeración del yogurt resulta esencial para reducir al mínimo estas reacciones, permitiendo conservar la calidad del producto hasta varias semanas después de su fabricación. Durante las primeras 24 - 48 horas de almacenamiento en refrigeración se observa una mejora de las características físicas del coágulo, principalmente
como
consecuencia
de
la
hidratación
y/o
estabilización de las micelas de caseína, por lo que resulta aconsejable retrasar el reparto y distribución del producto durante este tiempo. Dado que la calidad del yogurt luego de su elaboración depende de muchos
factores
es
aconsejable
seguir
las
siguientes
recomendaciones con objeto de garantizar que el producto llegue al consumidor en condiciones óptimas (Tamime & Robinson, 1991). •
Durante el almacenamiento en refrigeración.
a.
Reducir al mínimo la manipulación de los envases.
b.
Mantener la temperatura de refrigeración tan baja como sea posible (a menos de 5ºC) y evitar fluctuaciones de esta.
c.
Asegurar una adecuada circulación de aire en las cámaras, especialmente cuando el yogurt se envasa a 20ºC y el enfriamiento final tiene lugar en las mismas.
d.
Evitar las pérdidas de frío utilizando aislamientos adecuados en las cámaras.
e.
Proteger el producto con una iluminación especial para minimizar las decoloraciones y oxidaciones del producto envasado en envases transparentes.
f.
Esperar un mínimo de 48 horas antes de proceder a la distribución comercial del producto, para permitir que el coágulo alcance su estabilidad (Tamime & Robinson, 1991).
•
Durante el transporte. a.
En verano, en los países de la zona templada del hemisferio Norte y Sur, es necesario que el transporte se efectúe en refrigeración. En invierno es suficiente recurrir a vehículos isotermos.
b.
En las zonas tropicales y subtropicales el transporte debe hacerse siempre en vehículos frigoríficos.
c.
Durante el transporte la agitación del yogurt puede dar lugar a una disminución de la viscosidad y a sinéresis. Esto es difícil de evitar, especialmente en grandes desplazamientos.
•
En los establecimientos de venta y en los hogares. a.
El yogurt debe exponerse en vitrinas frigoríficas o conservarse en las cámaras hasta su venta.
b.
El yogurt debe consumirse inmediatamente después de su adquisición o ser conservado en cámaras frigoríficas hasta su consumo.
El yogurt debe consumirse a unos 10ºC, ya que a temperaturas inferiores no se aprecia convenientemente el flavor del producto debido al frío y a temperaturas superiores al producto pierde la frescura y puede experimentar una disminución de la viscosidad. (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991)
1.1.6.
DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA PRIMA, INGREDIENTES Y ADITIVOS
1.1.6.1.
La Leche como Materia Prima La leche es una secreción normal de las glándulas mamarias de todos los mamíferos. Su finalidad en la naturaleza es la nutrición de las crías del animal que la produce. Amito, et al., (1991) dice que la leche es el primer alimento del hombre, es su única fuente de nutrientes en el momento de su nacimiento. Es
el
mejor
relativamente
alimento
natural
importantes
porque
contiene
(aproximadamente
55
cantidades nutrientes
esenciales para el hombre), sin embargo no es un alimento completo, todas las leches son deficientes en vitamina D y hierro. Desde el punto de vista físico-químico la leche es un producto muy complejo, para comprender las transformaciones que se producen en ella y en los productos lácteos durante los diversos tratamientos industriales, es imprescindible un profundo conocimiento de su estructura. •
Composición fisicoquímica de la leche
La leche es un sistema coloidal constituido por una solución acuosa de lactosa (5%), sales (0,7%) y muchos otros elementos en estado de disolución en donde se estructuran las proteínas (3,2%) en estado de suspensión y la materia grasa en estado emulsión. El extracto seco total de la leche es por término medio de 13,1% y el extracto seco desgrasado de 9,2%. Amito, et al., (1991) nos muestra en el cuadro 2 la composición general de la leche, cabe mencionar que éstos datos cuantitativos son aproximados, pues mucho depende de la raza, alimentación, etc.; también tenemos en el cuadro 3 la composición de la leche fluida nacional otorgada por el Ministerio de Salud. Podemos comparar que a diferencia es mínima, la leche nacional es un poco más aguada (87,8%) y contiene menos grasas, proteínas y carbohidratos que la importada. En los cuadros 2 y 3 observamos las propiedades físicas de la leche, la primera dada por Amiot et al., (1991) y la segunda por el Reglamento Sanitario del Perú (1986) respectivamente. Amiot presenta las propiedades químicas y nutritivas de la leche fluída: -
Las proteínas cumplen una doble función nutritiva, por una parte supone el 22% de las sustancias proteicas recomendadas y por otra parte, son una excelente fuente de aminoácidos esenciales: isoleucina,
leucina,
lisina, metionina,
treonina, triptófano,
fenilalanina y valina; además constituye el 16% de la constitución total del cuerpo humano, siendo su función más importante la de un aporte suficiente y equilibrado de aminoácidos. -
Los triglicéridos de la leche son hidrolizados en el sistema digestivo en glicerol y ácidos grasos.
-
La contribución nutritiva de la leche al cuerpo humano es su elevado contenido de minerales, en especia: calcio, fósforo y magnesio.
-
También la leche contiene una veintena de oligoelementos: hierro, azufre, cobre, zinc, manganeso, cobalto, yodo, flúor; de forma significativa.
-
Su más importante aporte vitamínico de las leches es el del grupo B (riboflavina y B2) en un 41% de nuestras necesidades, B12 en más del 20%. También nos aporta B10 en un 9%, B6 en un 10% y vitamina C en 4%; dentro de las liposolubles: vitamina A, D, E, K, siendo la vitamina A (en un 13%) su más valioso aporte.
Las leches con un elevado contenido en grasa dan lugar a un yogurt “rico y cremoso” con un excelente cuerpo en comparación con el yogurt elaborado a partir de leches de bajo contenido graso. La
lactosa
de
microorganismos
la
leche
estárter
es del
fuente yogurt,
de
energía
pero
las
para
los
proteínas
desempeñan un importante papel en la formación del coágulo, por lo tanto la consistencia y la viscosidad del producto es directamente proporcional a la concentración de la presente. (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991)
Cuadro 2 : Propiedades físicas de la leche cruda entera Propiedades
Características
Gusto
Sabor suave, agradable, ligeramente dulce.
Color
De importancia en la industria lechera porque es un indicativo de la riqueza grasa. -De color blanco: (Por la reflexión de la luz sobre las partícula en suspensión). -De color azulado: Leche desnatada (Pocas partículas de suspensión). Blanco amarillento: Alto contenido graso.
Acidez
Acidez normal (Acidez activa): pH 6,2-6,8 - La mayoría de las leches: pH 6,4-6,6 La acidez de valoración global expresa en ácido láctico 0,140,17%.
Punto de Congelación
Constante física que oscila entre –052 a 056ºC con una medida de –054ºC. Variaciones superiores: “aguado” de la leche.
Punto de ebullición
* a 100,5ºC a 1 atm
Densidad
* a 15ºC es de 1,032 g/cc * a 30ºC es de 1,028 – 1,035 g/cc En leche desnatada la dimensión aumenta. En leche aguada la dimensión disminuye.
Calor específico
0,93 en leche entera 0,95 en leche desnatada 0,68 para una nata con 40% de materia grasa.
Tensión superficial
Leche entera: 53 dinas/cm a 0ºC * Leche desnatada: 55-60 dinas/cm a 0ºC
Viscosidad de la leche
Leche entera: 2,1 antipoise a 20ºC Leche desnatada: 1,8 antipoise a 20ºC
Conductibilidad eléctrica
0,005 ohm – 1 a 25ºC En leche aguada disminuye la conducta eléctrica.
Indice de refracción
1,34209 a 20ºC Sirve para calcular la concentración de azúcar de la leche condensada azucarada y también para establecer autenticidad de la materia grasa de leche.
Presión osmótica
Disminuye con dilución de la leche. Aumenta con la concentración de la leche. Es básico, pues inhibe el crecimiento bacteriano en las leches concentradas (Condensada).
Amiot et al., 1991
Cuadro 3: Propiedades generales de la leche entera Propiedades
Características
Características
Color: blanco opaco
Organolépticas
pH: 7 (neutro) Sabor: dulce
Densidad
1,0296-1,034 g/cc a 15ºC
Acidez
Expresada en ácido láctico: máxima 0,18%; mínima 0,14%
Extracto no raso
Debe contener una cantidad no menor 8,20 g % de extracto seco de leche
Grasa Elementos extraños
3,0% mínimo No acusar presencia de calostro, sangre, sustancias tóxicas, ni gérmenes, ni patógenos, ni más de 2,0 mg de sedimento para 500 cc.
Carga bacteriana
Cuenta bacteriana no mayor 1 500 000 mo/1000ml
Ceniza
Contenido mínimo 0,7 g % cenizas totales con un máximo de
Indice de refracción
Indice de refracción del suero a 20ºC de 1,34179 (lectura
Densidad del suero
Densidad del suero cloro-cálcico de 1,025 a 1,028 g/cc a 15ºC
No más de 1000 coli/ml alcalinidad 1,7 cc de NaOH(1N) refractómetrica 37.5) Otros parámetros
Libre de sustancias conservadoras (antisépticos, antibióticos, alcalinos, etc.); así como sustancias residuales: medicamentos, antibióticos, plaguicidas, etc. No dará reacción (+) de nitratos con la fenilalanina sulfúrica; no coagulará por la adición de un volumen igual de alcohol a 70ºC. No sufrirá tratamiento alguno, ni estará disminuída en cualquiera de sus componentes o aumentada por elemento ninguno (recremado aunque se trate de sustancias derivadas de la leche).
Minsa, Reglamento Sanitario del Perú (1986).
1.1.6.2.
La Leche en Polvo Es aquella en la que se elimina la mayor parte de su agua de constitución dejando un máximo de 5% correspondiendo el restante 95% a las proteínas, lactosa, grasa, sales minerales, etc. (Madrid, 1994) La leche en polvo es un producto de fácil conservación y presenta la ventaja de conocer todo el extracto seco de la leche en un volumen muy reducido, lo que supone un importante ahorro en el transporte y almacenamiento (Amiot, et al,. 1991)
Se distinguen dos tipos de leches desde el punto de vista comercial:
-
Leche en polvo entera (26% de materia grasa en peso como mínimo).
-
Leche en polvo desnatada (máximo 1,5% de materia grasa en peso).
La leche en polvo se conserva por un período máximo de 6 meses porque su alto contenido de grasa se va deteriorando durante el almacenamiento, llegando a notarse en su sabor rancio en la leche reconstituída, en cambio la leche en polvo desnatada puede conservarse por 3 años; Aun cuando los proveedores recomiendan pata su dstribución dos años como máximo (NZMPLTd.,2004). Amiot et al. , (1991) nos nombra algunas características de la leche en polvo. •
Características de la leche en polvo -
Color: Uniforme, blanco o cremoso claro carente de un color amarillo o pardo, característico de un producto recalentado.
-
Olor y Sabor: Fresco, puro antes y después de su reconstitución.
-
Humedad: Máximo 5% en peso.
-
Grasas: Para la leche entera 2,6% como mínimo para la leche desnatada 1,5% como máximo.
-
Acidez: Expresada en ácido láctico 1,45% en peso máximo para la leche entera y 1,85% en peso máximo para la leche desnatada.
-
Acidez de la grasa: Expresada en ácido oleico en un máximo de 1,2% en peso de la grasa.
-
Ausencia de impurezas macroscópicas.
-
Indice de solubilidad: Para la leche entera 1 ml como máximo y para la leche desnatada 1,25 ml como máximo.
-
Menos de 100,000 Colonias de Gérmenes/g de Leche en Polvo.
Tabla 6: Composición tipica de una leche entera en polvo secada por atomización. Composición tipica
(%)
Lactosa
37.80
Materia grasa
28.80
Proeinas
34.30
Minerales
5.80
Humedad
3.30
Fuente: NZMPLtd.(2004)
1.1.6.3
Ingredientes y Aditivos •
Sacarosa
Este carbohidrato es muy abundante en el reino vegetal y se conoce vulgarmente como “azúcar”. Su fórmula empírica es C12H22O11. El azúcar refinado se obtiene comercialmente a partir de la caña de azúcar o de la remolacha azucarera. Se utiliza mucho en la industria alimentaria como edulcorante, pudiendo ser obtenido en forma cristalizada o como jarabe. Es aconsejable añadir el azúcar antes de proceder al tratamiento térmico, ya que así se garantiza la destrucción de las formas vegetativas de los microorganismos contaminantes, mohos y levaduras osmófilas e incluso de algunos esporos. No obstante, si es preciso añadir el azúcar después de la formación del coágulo tiene que adoptarse las medidas necesarias para evitar la
distribución heterogénea del mismo y una excesiva disminución de la consistencia del producto. (Tamime & Robinson, 1987; Tamime & Robinson, 1991) •
Goma arábiga (gum arabic) (E414; acacia; goma de acacia; goma de Senegal; goma de Kordafan goma de Sedan).
Emulsionante, estabilizante y espesante obtenido a partir de diversas especies de acacias, principalmente Acacia senegal que crece en Australia, la India, Estados Unidos y Africa (especialmente en la región Kordafan del Sudán). La goma, que exuda de las cortadas hechas por el hombre, se seca y muele para dar un polvo que se disuelve rápidamente en agua formando un coloide inodoro, incoloro e insípido. La goma arábiga se utilizó originalmente para formar gotas de goma en pastelería, aunque ahora se utiliza mucho en la industria alimentaria. Se emplea como adhesivo para los bollos y helados, como inhibidor de la cristalización en pastelería, como estabilizante de la espuma de la cerveza, para alargar la vida útil, como agente de antiendurecimiento en el pan, como espesante en mermeladas, encapsulante para los ARMATIZANTES y SABORIZANTES en alimentos en polvo, y como CLARIFICANTE EN LOS VINOS (Hughes, 1994). •
Carragenano (carrageenan) (E407; carragenato, extracto de chondrurs, musgo irlandés).
ESPESANTE Y GELIFICANTE extraído a partir de alga del musgo irlandés Chondrus cripus. Debe su nombre a Carragheen, ciudad cercana a Waterford en Irlanda del Sur, donde fue comercializada en
primer
lugar.
En
Irlanda,
su
empleo
en
alimentación
(especialmente en los pudines de leche) y en medicina tiene un largo historial, aunque su uso como aditivo alimentario no se
extendió hasta la segunda guerra mundial. El alga se recolecta a mano, se seca, se lava y se introduce en una solución alcalina, y el carragenano se precipita con ALCOHOL. El carragenano se disuelve en agua formando un gel claro, débil, frágil. La adición de GOMA DE ALGARROBO o metafosfato de potasio ayuda a fortalecer el gel y lo hace más elástico. El carragenano se utiliza como agente de suspensión en productos lácteos, y como espesante en mermeladas, bebidas refrescantes y sopas, y como agente de volumen en productos bajos en calorías. (Hughes, 1994). •
Gelatina (gelatin)
GELIFICANTE Y ESPESANTE extraído a partir de tejidos animales, especialmente la piel y los huesos de vacas y cerdos. Los tejidos se colocan en una solución alcalina débil de siete a diez días y después se hierven para extraer la gelatina. Esta forma un gel termorreversible a 20ºC, que se funde a los 30ºC, de forma que los geles de gelatina se “funden en la boca”. Se utilizan como gelificantes y espesantes en productos lácteos tales como el yogurt, en los derivados cárnicos (especialmente como coberturas en el jamón enlatado) y en repostería. En la elaboración del vino se utiliza como CLARIFICANTE (Hughes, 1994). La gelatina se utiliza como ingredientes de diversos alimentos debido principalmente a sus propiedades gelificantes. Durante la fabricación, el colágeno presente en el material de desecho como piel, cuero, pellejo y huesos, se transforma en gelatina al hervirlo a fuego lento. Hay dos procesos para su fabricación, la extracción ácida y la extracción con cal (Hughes, 1994). La gelatina de cal generalmente tiene mayor contenido de cenizas y de calcio y su solución tiene un pH mayor que la gelatina ácida. A
medida que el contenido de calcio de la gelatina de cal aumenta, ésta tiende a formar sales insolubles en ciertos alimentos en los cuales se emplea, y en ciertos casos se forman cristales de tartrato de calcio si hay ácido tartárico presente, y se observan depósitos de fosfato de calcio en los frascos que contienen lengua de carnero en gelatina (áspic). Se diferencian ambos tipos por el punto isoeléctrico, que se encuentra alrededor de un PH de 8 para la gelatina ácida y a un PH aproximado de 5 para la gelatina de cal (Hughes, 1994). La composición fundamental de la gelatina es aproximada-mente de 50,5% de carbono, 6,7% de hidrógeno, 17,9% de nitrógeno, 0,6% de azufre y 24,3% de oxígeno (expresados en forma porcentual). Para determinar la gelatina (proteína seca) el factor Kjeldahl adecuado es nitrógeno total x 5,55. La gelatina fabricada contiene de 12 a 17 por ciento de humedad y hasta 2,5 por ciento de cenizas. La solución de taninos y las sales de platino precipitan a la gelatina, no así las sales de hierro, aluminio, plomo, cobre y oro. Es soluble en ácido acético, pero insoluble en alcohol o éter. La gelatina que se emplea únicamente con fines alimenticios en general tiene los siguientes niveles de composición: humedad 12 a 17 por ciento de humedad y hasta 2,5 por ciento de cenizas. La solución de taninos y las sales de platino precipitan a la gelatina, no así las sales de hierro, aluminio, plomo, cobre y oro. Es soluble en ácido acético, pero insoluble en alcohol o éter. La gelatina que se emplea únicamente con fines alimenticios en general tiene los siguientes niveles de composición: humedad 12 a 17 por ciento; cenizas 0,5 a 2,5 por ciento; calcio (como CaO) de
0.1 a 0.6 por ciento hierro (como Fe) de 10 a 150 ppm y un pH de 4,0 a 6,3 (Kirk, et al., 1996). La fuerza de la gelatina se mide en unidades absolutas con el gelometro bloom, o de manera más fácil con el probador de gelatinas boucher. Las soluciones para determinar la fuerza de la gelatina se preparan remojando en agua fría la muestra durante unas tres horas y después disolviéndola a 60º C (los temperaturas más altos provocan pérdida de la fuerza) (Kirk, et al., 1996). •
CARBOXI – METIL – CELULOSA (CMC)
Ester de celulosa, se usa en la industria de los alimentos. La celulosa es el principal polisacárido estructural de los vegetales, constituidos de residuos de glucosa unidos por enlaces β 1,4. La desaparición de algunos grupos hidroxilo permite la destrucción parcial de la estructura cristalina y entonces los otros hidroxilos pueden
fijar
agua,
especialmente
la
carboximentilcelulosa
ROCH2COOH. La carboximetilcelulosa de sodio, es un polímero aniónico derivado de la celulosa, soluble en agua, este se produce haciendo reaccionar alcalicelulosa con monocloroacetato de sodio bajo estrictas condiciones de proceso. Tiene las siguientes funciones: (Hughes, 1994).
-
Disuelve fácilmente en agua fría y caliente.
-
Actúa como espesante, como agente de suspensión y establizador de dispersiones.
-
Retiene el agua.
-
Actúa como agente filmógeno, resistente a aceites grasa y solventes orgánicos.
Regula las propiedades de flujo y actúa como agente de
-
control reológico. Es fisiológicamente inerte.
-
El CMC puede ofrecer una amplia y variada gama de viscosidades. Las viscosidades de las soluciones de CMC se incrementan rápidamente con la concentración (Hughes, 1994). A diferencia de otros éteres de celulosa como la metilcelulosa que con el calentamiento coagulan, las soluciones de CMC nos e alteran con este, sólo presentan variaciones de viscosidad, la cual disminuye al aumentar la temperatura. Bajo condiciones normales el efecto de la temperatura sobre la viscosidad es reversible (Hughes, 1994). Las soluciones de CMC mantienen una viscosidad constante y su máxima estabilidad en una rango de pH de 4 hay transformación de la carboximetilcelulosa en el carboximetilcelulósico, el cual flocula dando viscosidades superiores; los ácidos fuertes hidrolizan la CMC. Por encima de pH 10 la viscosidad disminuye notablemente. •
(Hughes, 1994).
Pectinas y Geles pecticos
Estructura Las
sustancias
pécticas
son
polímeros
lineales
del
ácido
galacturónico, que tienen una parte más o menos amplía de grupos carboxilos esterificados por radicales metilo. Se encuentran principalmente en las paredes celulares y los espacios intercelulares de los tejidos vegetales; son capaces de retener mucha agua y participan en la transferencia de agua en las plantas.
La molécula péctica puede ser representada esquemáticamente como sigue:
COOCH3
COOH
COOH
COOCH3
COOCH3
COOH
COOH
COOCH3
COOCH3
COOCH3
COOH
Una terminología correcta exigiría que se llamasen únicamente pectinas las cadenas poligalacturónicas metiladas al 100% y ácidos pectínicos los que tuviesen una proporción de metilización inferior al
100%;
el
término
ácidos
pécticos
designa
los
ácidos
poligalacturónicos exentos de metoxilo. Sin embargo en la práctica se emplea el término pectinas tanto para los ácidos pectínicos como para las pectinas propiamente dichas, que además sólo se lograron en el laboratorio. (Cheftel & Cheftel, 1983). La proporción de metilación se expresa por el contenido en metoxilo –OCH3, resultante de la determinación analítica; la metilación total corresponde a un contenido en –OCH3 del 16,3%, mientras que, en general, las pectinas que se extraen de diversos vegetales presentan contenidos en metoxilo comprendidos entre 10 y 12%.(Cheftel & Cheftel, 1983). La longitud de la cadena también es variable y puede incluir desde algunas unidades a varios centenares de ácido galacturónico; esto representa un peso molecular que va de 1000 a 100000. Una pectina, tal como se obtiene de un extracto de un tejido vegetal se compone de moléculas de longitud variable, pero en general poco dispares de la media. (Cheftel & Cheftel, 1983).
Según varios autores, algunos de estos grupos hidroxilo estarían acetilados; asimismo se afirma que un pequeño número de restos de ramnosa, arabinosa y galactosa serían parte integrante de la molécula péctica; no está claro si esto se debe a las impurezas que acompañan a las pectinas. (Cheftel & Cheftel, 1983). En los vegetales, las pectinas están ligadas frecuentemente a la celulosa, especialmente en las paredes celulares, bajo la forma de un complejo, insoluble en agua, aún poco cocido, llamado protopectina; muchas veces basta un breve calentamiento en ácido, tal como existe de forma natural en muchas frutas, para liberar la pectina que es soluble en agua. Algunas enzimas parecen actuar de la misma forma durante la maduración de las frutas, cuya textura se modifica así progresivamente. (Cheftel & Cheftel, 1983).
Propiedades; poder gelificante: Desde el punto de vista de la tecnología alimentaria la propiedad más importante de las pectinas es su aptitud para formar geles; por lo que concierne a la pectina en sí misma, los caracteres de gel dependen esencialmente de los factores: longitud de la molécula péctica y su grado de metilación. (Cheftel & Cheftel, 1983). Para un mismo contenido en pectina del gel final, la longitud de la molécula condiciona su rigidez o firmeza. Por debajo de una cierta longitud molecular, una pectina no da geles, cualquiera que sea la dosis empleada y las restantes condiciones del medio. (Cheftel & Cheftel, 1983). En cuanto al grado de metilación, contribuye por un lado a regular la velocidad de gelificación, pero debido fundamentalmente a la influencia de los enlaces entre moléculas pécticas también es responsable de algunas propiedades organolépticas de los geles
pectina-azúcar-ácido, que forman las pectinas de alto contenido en metoxilo. (Cheftel & Cheftel, 1983).
Formación de geles pécticos Para tener una idea del modo de actuación de estos dos factores, consideremos el mecanismo de la formación de un gel péctico, tal como se admite actualmente. Las pectinas y los ácidos pécticos son hidrocoloides, fuertemente hidratados, que se encuentran en solución; las moléculas de agua están unidas por enlaces hidrógeno
a
los
grupos
hidróxilo
de
la
cadena
polimetilgalacturónica. Asimismo, las moléculas pécticas llevan cargas eléctricas (negativas), lo que las conduce, primero a estirarse y así aumentar la viscosidad de la solución; segundo a rechazarse una a la otra. Estos factores concurren para mantener la molécula en estado disperso. Cuando se reducen las cargas e hidratación. Los filamentos de pectina tienden a precipitar se aproximan los unos a los otros y se enlazan entre sí, formando una red tri-dimensional amorfa, sólida, que retiene entre sus mallas la fase líquida. (Cheftel & Cheftel, 1983). Según que la pectina, o más correctamente, el ácido péctico, tenga una proporción de metoxilo elevada (>7%) o baja (3 a 5%), son diferentes los factores que intervienen y el modo de enlace entre moléculas. (Cheftel & Cheftel, 1983). Cuando la pectina tiene una proporción elevada de metoxilo (como en el caso de confituras, jaleas y mermeladas de frutas tradicionales), el grado de hidratación se reduce mediante la adición de azúcar y la disminución de carga eléctrica se consigue por un aporte de iones H+, o dicho de otra forma de ácido (casi siempre suministrado por las propias frutas); el enlace de unas
moléculas pécticas a otras queda básicamente asegurado, en este caso, por uniones hidrógeno entre grupos hidroxilo; éstos son enlaces débiles y los geles pécticos de este tipo se caracterizan por una gran plasticidad lo que induce a pensar que se debe a la movilidad
de
unas
moléculas
con
relación
a
otras.
Esta
particularidad hace que en la degustación este tipo de gel se diferencia de aquéllos en los que es preciso masticar (por ejemplo de agar-agar) o incluso de los geles que se licuan a la temperatura de la boca (por ejemplo los de gelatina). Estas diferencias quedaron confirmadas por medidas de la deformación bajo presión en función del tiempo, y la observación con luz polarizada para liberar las tensiones internas. (Cheftel & Cheftel, 1983). Cuando la proporción de metoxilo de la pectina es baja, y por lo tanto la proporción de grupos -COO- disponibles elevada, los enlaces que se establecen entre moléculas pécticas son enlaces iónicos, asegurados por cationes bivalentes, especialmente Ca++. Siempre que la longitud de la molécula sea suficiente, se puede obtener la gelificación con cantidades de calcio inferiores a 0,1%, aun en ausencia total de azúcar y ácido. El principal interés práctico de las pectinas de baja proporción de metoxilo reside concretamente en el hecho de que permiten, por ejemplo, gelificar la leche, preparar jalea de fruta sin añadir azúcar o jaleas a base de carne que conservan su consistencia aun en climas tropicales (contrariamente a las jaleas de gelatina). Los geles pécticos, de baja proporción de metoxilo, son elásticos, tales como los de agaragar. (Cheftel & Cheftel, 1983). •
Almidón
(starch)
((C6H10O5)n)
y
almidón
modificado
(modified starch) (almidón alimentario modificado).
Agentes de volumen, emulsionantes, gelificantes, estabilizantes, formadores de suspensiones y espesantes utilizados en un amplio rango de alimentos procesados. El almidón es un polisacárido formado por largas cadenas moléculas de GLUCOSA polimerizada. Existen dos formas, los polímeros ramificados, conocidos como amilopectina, y las cadenas rectas, denominadas amilosa. La amilosa tiene un peso molecular aproximado de 1 000000; las cadenas de amilopectina son ligeramente más largas; la relación entre los dos tipos de polímeros determina las propiedades del almidón. El almidón es el principal medio de almacenamiento de energía de las plantas y constituye el principal carbohidrato ingerido por el hombre. Para su uso como aditivo, se prepara generalmente tratando el maíz con un acido suave, moliéndolo hasta formar una pasta fina y eliminando el almidón por centrifugación. Las patatas, el trigo, el arroz, la tapioca, el sorgo y el sagú también son fuentes comerciales. El almidón producido se trata con Amilasa o con ácidos hasta partirse dando maltosa y glucosa. El almidón es poco soluble en agua fría, pero cuando se hierve en agua los gránulos estallan dando una solución viscosa, que al enfriarse forma una pasta espesa, similar a la gelatina. El almidón modificado se obtiene sometiendo al almidón a una serie de tratamientos que alteran su viscosidad, textura y estabilidad. Entre los posibles tratamientos se incluyen el tostado, el tratamiento con ácidos, álcalis o enzimas, el blanqueado, la esterificación y la oxidación. El almidón modificado se usa generalmente en el procesado de los alimentos que requieren espesamiento, y como agente para espolvorear en repostería. (Hughes, 1994).
1.1.7.
PROPIEDADES GELIFICANTES DE ALGUNAS PROTEINAS ALIMENTICIAS (Cheftel et al., 1989).
La mayoría de las proteínas pueden dar geles y las condiciones prácticas para la formación de geles de proteínas alimenticias fueron objeto de numerosos estudios. La gelificación térmica de las proteínas miofibrilares (“actomiosina”) de los músculos estriados de mamíferos y pescados, contribuye a la textura de numerosos alimentos: actúan de agente ligante en las carnes picadas, trituradas o reconstruidas por comprensión; estabilizan la emulsión de las salchichas, dan consistencia homogénea, lisa y elástica al “Kamaboco”. Las propiedades de coagulación de las micelas de caseína de la leche son hartas conocidas y aprovechadas para la preparación de un gran número de cuajadas, quesos y productos lácteos gelificados. La coagulación, iniciada por la acción proteolítica de la quimosina sobre la caseína k, necesita la presencia de iones Ca++ y una temperatura superior a 15ºC, También se provoca la coagulación por acidificación de la leche hasta el pH isoeléctrico de las caseínas. Las micelas de caseía (y los caseínatos) con muy resistentes al calor, a un pH superior a 6, sobre todo cuando se calientan en la leche: se necesitan de 20 a 60 minutos de calentamiento al 140ºC para provocar una coagulación. Pocos sistemas proteicos son tan termoestables. Esta gran estabilidad procede esencialmente sin duda de la débil proporción de estructuras ordenadas secundarias o terciarias de las caseínas. La termoestabilidad de las caseínas disminuye notablemente al concentrarlas. Las proteínas del lactosuero en solución a una concentración superior a 5% tienen buenas propiedades gelificantes cuando se calientan a temperaturas de 70 - 85ºC. Los geles obtenidos son en general menos firmes y menos elásticos que los de ovalbúmina o de proteínas de la soja; son irreversibles, probablemente a causa
de la formación de puentes disulfuro intermoleculares. Los refinados proteicos del lactosuero con un contenido bajo de lactosa y de Ca++, se desnaturalizan poco (es decir poseen una solubilidad elevada a pH 4,5 y un máximo de grupos SH libres) y tienen propiedades gelificantes muy próximas a las de la clara de huevo. La β-lactoglobulina es responsable de este comportamiento. Las proteínas de la clara de huevo son con frecuencia considerada como el mejor agente gelificante o ligante. La conalbúmina y la ovalbúmina (Pi = 4,6) se desnaturalizan a 57 - 65 y a 72 - 84ºC y a 72 - 84ºC, respectivamente. La gelificación se produce en una zona grande de pH (3 a 11) cuando la concentración proteica es superior a 5%.
1.1.8.
COAGULACIÓN DE LA LECHE
Estabilidad de la micela (Cheftel et al., 1989) Es sorprendente constatar que las micelas resisten muy bien temperaturas superiores a 100ºC y fuertes tratamientos de homogeneización,
pero
las
pueden
desestabilizar
ligeras
variaciones de la composición del suero.
1.1.8.1.
Efectos de la temperatura. Ali y Col demostraron que durante el almacenamiento de la leche en frío (de 4 a 7ºC), las micelas se disocian parcialmente en submicelas y liberan hasta el 50% de la caseína β en 24 h. Por recalentamiento, la caseína β se vuelve a asociar lentamente a las micelas, pero no e sabe si se sitúa en los lugares iniciales. Si se eleva la temperatura, hay una disminución continuada de la caseína soluble constituida principalmente por caseína β; ésta es la causa por la que el empleo de la leche refrigerada en quesería, origina
pérdidas de caseína soluble y un rendimiento menor. (Cheftel, et al., 1989) La estabilidad de la micela al calor, está muy ligada al medio (pH, Ca++, otras proteínas). Así la estabilidad aumenta cuando el contenido en casína k se eleva o bien disminuye el fosfato
de
calcio coloidal. Durante el calentamiento, la presencia de βlactoglobulina, induce la formación de un complejo con las caseínas αs2 y k, lo que mejora la estabilidad de las micelas frente a las proteasas coagulantes. (Cheftel, et al., 1989)
1.1.8.2.
Efectos de las modificaciones del medio (pH) Ajustando
al pH al pHi de las caseínas (4,6 como media),
aumentan las atracciones electrostáticas intra e interproteicas, lo que motiva el desestabilizar la fase mineral de la micela. La “caseína” isoeléctrica desminarlizada se hace insoluble. La eliminación del calcio por un agente complejante, tal como el citrato, fosfato o EDTA, provoca una “transpiración” del medio, debido a la destrucción de la micela de caseína. Si se elimina una parte del calcio surge una pérdida de caseína β y un aumento del tamaño de la micela. Por eso se puede admitir que la micela consiste en una red de caseínas αs y k en la que la caseína β solo tiene una función de llenado. El tamaño puede explicarse por el hecho de que los iones de calcio Ca++ ejercen un efecto de contracción por formación de puentes iónicos. Las sustancias orgánicas tales como el etanol pueden desestabilizar las micelas, sobre todo a pH inferior a 6,4. (Cheftel, et al., 1989)
1.1.8.3.
Acción de las proteasas coagulantes
La estabilidad de la micela depende de la proporción de caseína k, De hecho, el ataque específico de esta caseína por una proteasa como la quimosina, la pepsina o ciertas proteasas de origen fúngico conducen a una desestabilización de la micela.
La hidrólisis específica del enlace Fen105-Met106 de la caseína k libera un glicopéptido soluble (en posición C terminal) de la paracaseína insoluble asociada a las micelas residuales que entonces se agregan. La coagulación puede evitarse por enfriamiento a una temperatura inferior a 15ºC, a pesar de que la actividad enzimática se manifiesta todavía en estas condiciones. La coagulación puede explicarse por el hecho de que la eliminación del caseíno-glipéptido reduce la carga de superficie de la micela aproximadamente un tercio y disminuye en consecuencia las repulsiones electrostáticas intermicelares. La superficie de la micela se hace muy hidrófoba en razón del predominio de la para-caseína k y las micelas se asocian más fácilmente. Las interacciones iónicas son igualmente posibles entre las cargas positivas de la para-caseína y las cargas negativas de la caseína αs y β. Igualmente pueden establecerse puentes fosfocálicos entre las micelas. Se considera que la coagulación no se produce hasta que más del 85% de la caseína k de la micela es hidrolizada por el enzima; en general, el “tiempo de coagulación” a 35ºC corresponde a la duración de la reacción enzimática, en tanto que por debajo de 15ºC, depende sobre todo del fenómeno de agregación micelar. (Cheftel, et al., 1989)
1.1.9.
FORMACIÓN DEL COAGULO POR ACIDIFICACIÓN La coagulación de la caseína por acidificación comienza a pH 5,3 y es completa al alcanzar su punto isoeléctrico (pH 4,6). La coagulación depende de la temperatura y del equilibrio salino. Así, por ejemplo, a la temperatura de 82º C (180ºF) la coagulación espontánea de la leche descremada se produce al alcanzar un contenido del ácido láctico del 0,25% mientras que si la acidificación es de 0,35% aquella se produce ya a 65ºC (149ºF). A la temperatura de 2ºC (35ºF) puede añadirse ácido a la leche descremada hasta alcanzar casi su punto isoeléctrico sin que la coagulación se produzca. A pH 5,2 el calcio y el fosfato se encuentran principalmente en forma soluble y el tamaño de los complejos micelares aumenta a partir del calcio del medio. Por ello el cloruro cálcico se utiliza para aumentar el tamaño de las micelas. La adición de cloruro cálcico hasta una concentración de 0,07 M en la leche a una temperatura de 5ºC (41ºF) provoca una agregación de las micelas (con el consiguiente aumento de tamaño) que permite su separación por centrifugación. La producción bacteriana de ácido láctico, “in situ” en la leche constituye el método de preferencia para la elaboración de quesos, incluso a partir de leche entera. Para la elaboración de muchos de ellos se emplean starters lácticos como Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus y S. Lactis.(Scott, 1991) La acidificación espontánea es el hecho más comúnmente observado en la leche conservada a la temperatura ambiente. La acidez se eleva muy lentamente al principio, luego, tras algunas horas (según la temperatura), muy rápidamente; en general, se frena un poco cuando el contenido en ácido láctico llega al 1%. En ese momento, solamente ¼ de la lactosa ha sido degradada; esta
detención se debe al efecto inhibidor del ácido sobre las bacterias. Si se neutraliza el medio, concreta, por ejemplo, se puede conseguir la transformación de toda la lactosa; en este principio se basa la producción industrial de ácido láctico a partir del suero de quesería. Antes de llegar a la proporción del 1% de ácido, aproximadamente hacia el 0,6%, se coagula la leche, en lenguaje corriente se “corta “. (Alais, 1996) La acidificación de la leche provoca la destrucción de las micelas sin fraccionar la caseína, cuya precipitación es total hacia pH 4,7. El fosfocaseinato experimenta una degradación doble, con migración progresiva del calcio coloidal hacia la solución. La caseína isoeléctrica está completamente exenta de calcio, y no contiene más
que
fósforo
proteico.
Esta
“desmineralización”
es
la
característica principal de la caseína precipitada por acidificación, en comparación con las sustancias precipitadas por el cuajo. 1
caseinato-Ca + 2 CH3 – CHOH – COOH → (coloidal)
2
(PO4)2Ca3 +
(ácido láctico)
2CH3 – CHOH – COOH →
caseína (insoluble)
+
(CH3-CHOH-COO)2 Ca (soluble)
(CH3-CHOH-COO)2Ca + (PO4)2CaH4
Si la acidificación se desarrolla progresivamente en el medio, se forma un coágulo homogéneo a causa de la fermentación láctica. El mismo resultado puede también obtenerse por vía química, mediante la hidrólisis lenta de cuerpos de tipo láctico.(Alais, 1996) Los efectos de la acidez y del calor se suman. La floculación de la caseína tiene lugar un pH tanto más elevado cuanta más alta es la temperatura. A las temperaturas de esterilización, es suficiente un descenso del pH de algunas décimas de grado para que la leche flocule (hacia pH 6,4). Por el contrario, a baja temperatura, entre o y 5º, la floculación no se produce. En efecto, sí la leche refrigerada se añade ácido clorhídrico concentrado en cantidad suficiente para
rebajar el pH a 4,5, la leche no se coagula; se observa solamente un aumento de viscosidad; si la temperatura se eleva a 20º, la floculación se produce sin demora. Esta propiedad es la base de un nuevo procedimiento para la fabricación de cuajadas ácidas, como el “Cottage cheese”, en los Estados Unidos. Llegamos aquí a la noción
de un concepto muy importante, lo que puede llamarse
“punto isoeléctrico aparente” de la caseína nativa, que en su medio natural varía considerablemente en función de la temperatura. (Alais, 1996) Las proteínas son electrolitos anfóteros, es decir, según el valor del pH se presentan en forma de catión o de anión: pH: Acido
pH:Básico +
R- CH – (COOH) – NH3 ↔ R –CH – (COO ) – (NH3 ) ↔ R–CH–NH2-COOCatión
-
dipolar
Para un cierto valor de pH; conocido como
+
anión
pH isoeléctrico
(pHi) los valores medios de pKa y de pKal son tales que la carga global es nula. En el caso de las caseínas, su composición en aminoácidos, hace que exista un exceso de aminoácidos ácidos con respecto a los aminoácidos básicos.
(Luquet, 1993; Alais,
1996). Además, las caseínas contienen grupos fosfato ácidos, y glúcidos ácidos fijado sobre la caseína k. Estos grupos ácidos excedentarios se ionizan y dan las bases asociada (-COO-). Por tanto, al pH normal de la leche, la micela de las caseínas es un anión cargado negativamente; estos aniones se repelen electrostáticamente, manteniendo a las micelas en solución coloidal estable. Si se disminuye el pH aportando cargas positivas (por acidificación, aportando por ejemplo H3O+), se produce la ionización de los grupos – NH2 – NH3+ (amonio ácido), y, para un cierto valor del pH, existirán el mismo número de iones de –NH3+ que de – COO-; la
micela tiene entonces una carga global nula. En el caso de las caseínas el pHi vale 4,6. Las caseínas son por tanto las proteínas de leche que, como no están cargadas a un pH de 4,6, se agregan y floculan separándose de la fase acuosa; en esto consiste la coagulación ácida. Por el contrario, las proteínas solubles no se ven influenciados por la disminución del pH hasta 4,6 y permanecen en solución en el lactosuero. (Luquet, 1993) En comparación con las cuajadas enzimáticas, las ácidas presentan una sinéresis mucho menor, ya que el incremento de viscosidad con la fuerza (parte del comportamiento viscoelástico) es menos importante. Esto probablemente
se debe a la estructura
relativamente permanente que se forma en los geles ácidos, mientras que los geles enzimáticos se reestructuran más fácilmente. (Varnam & Sutherlan, 1995).
1.1.10.
FORMACIÓN DEL COÁGULO DEL YOGURT (Varnam & Sutherland, 1995) El coágulo del yogurt es de tipo ácido, parecido al del queso obtenido por coagulación ácida, aunque hay importantes diferencias entre ellos. Mientras que en la fabricación de queso es deseable la sinéresis para la obtención de la cuajada, en el yogur y otras leches fermentadas es indeseable. En ambos casos, las antiguas teorías que explicaban la formación del gel por agregación de las micelas después de la neutralización se consideran
excesivamente
simplistas y se ha desarrollado un modelo alternativo basado en la fabricación similada del yogur. Esta teoría implica el concepto de la micela de caseína como un “esqueleto” de caseína αs1 unida a la caseína β y al fosfato calcio amorfo rodeado por una capa estabilizadora de caseína-k. Conforme el pH desciende durante la fermentación, el calcio amorfo se libera por acidificación
y
acomplejamiento, pero el “esqueleto” se mantiene. Después de la
desagradación se produce la agregación que es iniciada por la caseína β y al fosfato calcio amorfo rodeado por una capa estabilizadora de caseína-k. Conforme el pH asciende durante la fermentación, el calcio amorfo se libera por acidificación y acomplejamiento, pero el “esqueleto” se mantiene. Después de la desagregación se produce la agregación que es iniciada por la caseína β adquiere una carga positiva y la caseína αs1 permanece cargada negativamente y finalmente, la formación de la red. La velocidad de acidificación es importante en la formación de la red, ya que la rápida producción de ácido da lugar a la precipitación. Investigaciones posteriores han ayudado a entender mejor la formación del gel ácido, aunque todavía quedan muchos aspectos por resolver. Para estudiar el fenómeno de la coagulación ácida de la leche se ha utilizado un método óptico basado en la reflexión de la luz y se ha demostrado que se produce una progresiva redisposición de las proteínas conforme desciendo el pH durante la fermentación. Las caseínas beta y kappa se vuelven a incorporar en la estructura micelar, las fuerzas de hidratación y de repulsión eléctrica desaparecen y se crean nuevas interacciones que inician la formación de una red proteica tridimensional. Este estudio se ha ampliado posteriormente utilizando leche acidificada con glucono-δlactona, demostrándose que el colapso de la proyección capialr de la capa de caseína-κ de las micelas que se produce a bajo pH es el principal factor causante de la agregación.
A temperaturas
superiores a 30ºC, esto da lugar directamente a la agregación, mientras que a temperaturas de 15 - 20ºC tiene lugar la solubilización de las proteínas micelares seguida, probablemente, de la reincorporación de la caseína solubilizada y la agregación. La microestructura y las propiedades físicas del coágulo del yogur se modifican por la fortificación de la leche original que produce cambios en los niveles de proteína y en la proporción entre las caseínas y el nitrógeno proteico no caseínico, siendo este último
parámetro de gran importancia en la determinación de las propiedades físicas. Se considera que con una relación caseínas: nitrógeno proteico no caseínico de 3,2-3,4; 1,0 se obtiene el coágulo de mejor calidad, mientras que proporciones superiores originan un cóagulo granuloso de textura grosera. (Varnam & Sutherland, 1995)
Figura 1: Secuencia de fenómenos durante la formación del coágulodel yogurt (Banon & Ardí, 1991); citado por (Varnam & Sutherland, 1995)
La acción de las enzimas proteolíticas tiene un efecto perjudicial sobre el coágulo del yogur. El tratamiento de la leche con proteasas bacterianas, que hidrolizan la caseína-κ, origina un coágulo más firme, con mayor sinéresis y viscosidad aparente, mientras que con la plasmina, que hidroliza aparente y menos sinéresis. En ambos casos, el coagulo tiene una menor capacidad de retensión de agua y grado de hidratación. Los hidrocoloides que se añaden como estabilizantes en algunas leches fermentadas, actúan formando una red de enlaces con los componentes de la leche. Esta propiedad se debe, bien a la
presencia de una sal capaz de secuestrar los iones Ca2+, o bien a la presencia de grupos cargados negativamente como los radicales hidrógeno o carbonilo. La capacidad de retensión de agua del coágulo aumenta por estabilización de la red proteica que impide el libre movimiento del agua, aumentando el nivel de hidratación de los componentes (principalmente proteínas) y ligando el agua de hidratación. Aunque la grasa no interviene directamente en la formación del coágulo, las investigaciones realizadas con geles lácteos demuestran que los glúbulos grasos se dispersan en el interior de la red proteica y aumentan la firmeza por restricción hidrostática de la red adyacente a los glóbulos. La situación en las leches fermentadas enteras
puede ser la misma. (Varnam &
Sutherland, 1995) La formación de nódulos es un grave efecto en el yogur que parece estar relacionado con las proteínas. Los nódulos contienen un 82% de proteína y un 4% de fósforo, pero en comparación con el coágulo que los rodea, contienen solamente trazas de grasas y lactosa. Por microscopía electrónica se ha comprodado que los nódulos tienen una estructura definida y compacta con una superficie lisa y que no contactan con las caseínas de la red que constituye el coágulo. La formación de estas partículas se asocia con la presencia de Lb. Delbrueckii spp. Bulgaricus en el cultivo iniciador y también con un alto contenido en proteínas y parece que los cambios en la estructura micelar son un factor de predisposición para la formación de nódulos. (Varnam & Sutherland, 1995)
1.1.11.
PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS PRODUCTORES DE SUSTANCIAS VISCOSAS EN LA ESTRUCTURA DE LAS LECHES FERMENTADAS.
Las cepas productoras de sustancias viscosas de Str. Salivarius K spp. Thermophilus tienen en el yogur un importante papel como estabilizantes de la red proteica. Probablemente los compuestos más importantes son los polisacáridos, aunque también puede intervenir el ácido lipotecoico. La naturaleza de los polisacáridos extracelulares varía dependiendo de las cepas
y algunos
investigadores han descrito que la glucosa y la galactosa son los componentes mayoritarios, aunque las proporciones entre los dos azúcares son variables. Se ha señalado la presencia del aminoazúcar N-acetilgalactosamina
y también pueden estar
presentes pequeñas cantidades de arabinosa, manosa, ramnosa y xilosa. S ha aislado de un cultivo comercial de yogur un tipo distinto de polisacárido extracelular compuesto por ramnosa y galactosa en proporción 1:1,47. (Varnam & Sutherland, 1995) Los estudios realizados por microscopía electrónica han mostrado que
los
microorganismos
fermentadores
se
encuentran
en
“bolsillos” en el coágulo de yogur, con filamentos de polisacáridos que unen las bacterias con la red del cóagulo. (Varnam & Sutherland, 1995) El papel que desempeñan estas sustancias en la viscosidad y en la textura, es más evidente en las leches viscosas escandinavas, en las que la naturaleza de las sustancias viscosas es muy variable. Por ejemplo, el principal componente mucilanigoso que se produce en el langfil sueco es un ácido lipotecoico desacilado y en la viscosidad del viili también parece que intervienen un ácido lipotecoico expuesto en la superficie. Las cepas productoras de sustancias viscosas de L. Lactis spp. Lactis tienen un menor número de antígenos de membrana y posiblemente tienen defectos en la biosíntesis de la pared celular. (Varnam & Sutherland, 1995)
La producción de sustancias viscosas por otras cepas de bacterias lácticas estudiadas implica la formación de otros productos como fosfopolisacáridos. En los análisis de las sustancias viscosas se han
obtenido resultados diferentes, posiblemente debido a la
utilización de distintos métodos analíticos, pero se considera que una sustancia viscosa bastante típica estaría compuesta por un 47% de proteína y un 29% de carbohidratos. Se ha descrito un nuevo fosfopolisacárido producido por L. Lactis spp. Cremoris que está compuesto por un 21% de proteínas y un 42% de carbohidratos, con una proporción entre los carbohidratados y el fósforo de 5,2:1. Los azúcares mayoritarios son ramnosa, glucosa y galactosa en proporción 1:1,45:1,75, estando la sustancia viscosa cargada negativamente y siendo capaz de formar complejos con la proteína. (Varnam & Sutherland, 1995) La textura características de las leches viscosas se debe a una red de sustancias mucilaginosas que atrapa las células de los microorganismos que atrapa las células de los microorganismos del cultivo
iniciador
y
une
las
micelas
proteicas
formando
conglomerados de caseína. Las propiedades reológicas de las sustancias viscosas producidas por las bacterias predominan sobre las de las proteínas del coágulo lácteo. (Varnam & Sutherland, 1995)
1.1.12.
Factores Que Determinan o Influeyen en la Formación del Coágulo Isoeléctrico:
-
El extracto Seco.
-
La composición en la leche.
-
La Temperatura de Incubación.
-
La Concentración del cultivo iniciador y la proporción de los cultivos.
1.1.12.1.
-
Adición de Estabilizantes y Edulcorantes
-
Las operaciones Tecnológicas
Extracto Seco:
-
La correlación entre el extracto seco de la leche y la consistencia del yogurt ha sido estudiada por Tamime (1977) quién comprobó que esta propiedad mejoraba notablemente al aumentar el extracto seco total en la leche de un 12% a un 20%. Estableció la consistencia del yogurt con el uso de un penetrómetro que concentraciones de extracto seco del 16% al 20% el incremento de la consistencia tiende a ser menor pronunciado, por lo que tiene poco interés por lo que respecta a la calidad del producto utilizar concentraciones de extracto seco superiores al 16% (Tamime & Robinson, 1991). Posiblemente el yogurt de mejor calidad se obtiene a partir de leche con un extracto seco total del 15-16%, debiendo destacar que la mayor parte de los yogures comerciales contienen extracto seco total de un 14-15%.
-
Un extracto seco total de la mezcla destinada a la producción de yogur superior al 25% puede determinar una disminución de la cantidad de agua disponible para el crecimiento de los cultivos estarter lo cual puede dar lugar a una inhibición de su actividad (Tamime & Robinson, 1991)
-
El aumento del Extracto seco magro no siempre conduce ala obtención de yogures de mejor textura, siendo los valores próximos al 15% de Extracto seco los que originan las Texturas
más adecuadas. Al estudiar la textura del en yogures de leche de oveja (Holgado, et al., 2002).
-
Debido al efecto tamponante de las proteínas, fosfatos y citratos, lactatos y otros componentes de la leche, el aumento del extracto seco magro de la leche se ve acompañado de un aumento de la acidez de valoración global en la leche (Jenness & Patton, 1959), lo cual puede conducir a una disminución del tiempo de coagulación. Esta misma Teoría ha sido mantenida por Davis (1973), quién señalo que la duplicar la concentración de Extracto seco magro de la leche la acidez titulable de la misma se multiplica por dos. (Tamime & Robinson, 1991).
-
La adición de caseína en polvo y seco de leche en polvo supone un aumento de la concentración de proteína es el producto y de su viscosidad (Tamime & Robinson, 1991).
-
La eliminación del agua de la leche para elevar el extracto seco total por evaporación del vacío, mejora la estabilidad del coágulo y reduce la sinéresis durante el almacenamiento del producto final (Gradhege & Thurell, 1978, citado por Tamine & Robinson, 1991).
-
La adición o enriquecimiento de la leche destinada a la fabricación de yogurt con caseína o caseinctos presente según Gennip (1981), las siguientes ventajas: a) Mantiene el flavor y textura naturales del yogurt. b) Mejora la viscosidad y reduce el problema de la sinérisis durante el almacenamiento.
c) Mejora las propiedades hidrogílicas de las proteínas presentes,
por
lo
que
actúan
como
agentes
estabilizantes.
-
La acidez, la suavidad y la consistencia/viscosidad del coágulo, para satisfacer las exigencias de los consumidores. Los dos primeros pueden ser controlados estandarizando el proceso tecnológico.
La
consistencia/viscosidad
del
yogurt
esta
condicionado por la concentración de proteínas en la leche, por lo que el enriquecimiento de la misma con extracto seco magro es un factor de importancia fundamental en la formulación (Tamime & Robinson, 1991).
-
Desde el punto de vista de los fabricantes, las propiedades físicas del yogurt es decir, la consistencia/viscosidad del coágulo, son de gran importancia, y, en general, cuanto mayor sea el contenido en extracto seco magro de la mezcal destinada a la elaboración de yogurt, mayor consistencia y viscosidad tendrá el producto final (Tamime & Robinson, 1991).
-
El contenido en extracto seco total se ajusta entre el 12 y el 15% según la textura deseada. Durante el precalentamiento se suele añadir un agente (Amiot, 1991).
-
El extracto seco de la leche de partida es un factor importante en la fabricación, pues condiciona la consistencia y viscosidad del producto. Las proteínas, al mejorar la textura, enmascaran también la acidez, y la materia grasa proporcionar un sabor más suave y cremoso y un mejor aroma, y por su parte también enmascara la acidez (Luquet, 1993).
-
La concentración en extracto seco es responsable de la firmeza y consistencia; para la fabricación de yogur de alta calidad resulta de especial importancia el contenido en extracto seco de la leche que partida. Los valores próximos al 15% de ESM de la leche de partida produce yogures de mejor textura con leche de oveja (Holgado, et al., 2000).
1.1.12.2.
La Composición De La Leche:
-
Las proteínas desempeñan un importante papel en la formación del coágulo y por tanto la consistencia y viscosidad del producto es directamente proporcional a la concentración de proteína presente (Tamime & Robinson 1,991).
-
Las leches con un elevado contenido en grasa dan lugar a un yogurt “rico” y cremoso, con excelente “cuerpo” en comparación con el yogurt elaborado a partir de bajo contenido graso o de leches desnatadas (Tamine & Robinson 1991).
-
Características de la caseína, tales como masa, tamaño volumen, estructura, asimetría molecular, cargas eléctricas y facilidad de deformación, que están determinados por la calidad de la leche. (Cheftel, et al., 1,989).
-
Las interacciones proteína-proteína, que influye o determina el tamaño de los agregados (Cheftel, et al. ,1989).
-
Las interacciones caseína-suero, que influyen en la hinchazón, solubilidad y esfera de hidratación hidrodinámica que rodea la molécula (Cheftel, et al. ,1989).
-
La interacción de las proteínas β-Lg y α-La con los K-caseinas determinan un coagulo firme y menos susceptible a la sineresis (Tamime & Robinson, 1991).
-
Debido al efecto tamponante de las proteínas, fosfatos y citratos, lactatos, etc, el aumento del extracto seco magro de la leche se ve acompañado de un aumento de la acidez de valoración global de la leche, lo cual puede conducir a una disminución del tiempo de coagulación.
-
El poliformismo proteico de la leche, tiene un efecto en la composición, además la influencia de los constituyentes individuales de esta pueden afectar la coagulación al contenido de caseína en la leche tamaño de las micelas de caseína la que se ve afectada por la proporción relativa de las fracciones de caseína, la proporción relativa de las miceles de caseina individuales de la leche, el grado de glicosilación de la K-caseina y la composición de los minerales de la leche (FIL. IDF, 1997). La
caseína
α,
posee
dos
constituyendo únicamente
variantes
la
A
y
la
B,
un 11-15% del total del complejo
caseinico (Scott, 1991).
-
Las moléculas de K-caseina esta formada por 169 unidades de aminoácidos,
siendo
la
secuencia
de
aminoácidos
comprendidas entre el 1 al 105 insolubles, los que forman las paracaseina en la coagulación enzimática, y la secuencia del 106-169, correspondiente a carcohidratos que son eliminados con el suero en la coagulación enzimática (Madrid, 1990).
El tamaño de las micelas de caseína esta relacionado con la capacidad de coagulación de la leche, particularmente con la firmeza de la cuajada (Puhan & Jacob, 1993). La leche con pequeñas micelas el tiempo de coagulación es menor y a su vez el coagulo formado es más firme, en el caso del queso (Van Den Berg, 1993). Las principales fracciones proteicas que afectan el contenido de proteína total de la leche, son consideradas las variantes genéticas de la K-caseina y la β-lactoglobulina, siendo la más importante la K-caseina (FIL-IDF; Ng-Kwai -Hang, Van Den Berg, 1993). La K-caseína β posee cerca de un 40% más de pequeñas micelas comparadas con las K-caseína , por lo cual esta puede ser uno de los motivos porque la K-casína β presenta mejores aptitudes a la coagulación (FIL-IDF, 1993). En general hay tres tipos de beneficios que pueden acompañar la selección de variantes genética y siendo estas: beneficios en el rendimiento, originado
los cambios de composición de la
leche; beneficios funcionales y de salud originados por estructuras
proteicas
específicos
y
beneficios
en
el
procesamiento (Boland, 1997). La unión entre las proteínas del suero y la caseína es muy dependiente tanto del valor de pH como de la concentración del iones Ca++ (Boland, 1997).
1.1.12.3.
La Temperatura de Incubación
-
Una alta o baja temperatura de incubación determina efectos secundarios no deseados en la textura del yogurt, como por ejemplo una exudación del suero (Tamime & Robinson, 1991).
-
Si el yogurt es muy ácido, ello indica que ha sido incubado a una temperatura demasiado alta, es decir de 45ºC o superior disminuyendo o afectando la calidad del coagulo (Tamime & Robinson, 1991).
-
La temperatura de incubación condiciona la proporción de ambas cepas y, por tanto, las características que se deseen en el producto final (Gorostidi, et al., 1991).
-
El tiempo de coagulación de un yogurt elaborado con leche de oveja con un cultivo iniciador preparado (1 Lb. : 1St.) a 40ºC y a una temperatura obtuvo un tiempo
de incubación de (40ºC, 45ºC y 50ºC), se de (3,5h; 2,5h y 2h) respectivamente
observándose que el tiempo mayor fue para una incubación de 40ºC (Gorostidi, et al., 1991).
-
Con cultivo a 45ºC y temperaturas de incubación o fermentación en la elaboración de yogur de leche de oveja de (40ºC; 45ºC y 50º), se obtuvo un tiempo de coagulación de (3h; 2,5h y 3h) respectivamente (Gorostidi, et al., 1991).
-
Y con cultivo a 50ºC y a temperaturas de incubación o fermentación, en la elaboración de yogurt de leche de oveja de (40º, 45ºC y 50ºC), se obtuvo un tiempo de coagulación de (5,5h; 4h y 3,5h), respectivamente (Gorostidi, et al., 1991).
-
La temperatura de preparación del cultivo iniciador, como la temperatura de elaboración del yogurt influyen en la producción de ácido por los fermentos lácticos, ello produce modificaciones en el tiempo de coagulación para las distintas combinaciones de temperaturas utilizadas (Gorostidi, et al., 1991).
-
La temperatura determina la cinética de la acidificación (Skriver, 1997).
-
La temperatura debe elegirse próxima a la temperatura óptima de desarrollo del Streptococcus thermophilus, es decir, 42 45ºC, más que a una temperatura próxima a la óptima del Lactobacillus bulgaricus (47 - 50ºC) ya que es preferible que los Streptococcus aseguren el comienzo de la fermentación láctica. Esta temperatura próxima a 42 - 45ºC es por otra parte la temperatura simbiótica óptima (Luquet, 1991).
-
La fermentación se puede llevar a cabo a temperatura constante o a temperatura decreciente. En este último caso, después de un cierto tiempo de incubación se detiene el aporte de calor para que
la
temperatura
vaya
descendiendo
progresivamente
(Luquet, 1991). Según KURMAN, las consecuencias de esta operación son las siguientes:
-
Evitar una sobreacidificación,
-
Retrasar la acidificación y disminuir el crecimiento de los microorganismos,
-
Disminuir la temperatura con vistas al batido en caliente (3638ºC).
1.1.12.4. Concentración del Cultivo Iniciador en la Fermentación y la Relación de los Cultivos de L. Bulgaricus y S. Thermophilus. La cantidad mínima de siembra varía según a vitalidad de los cultivos entre 0,5 y 1%, y el valor máximo se sitúa alrededor del 5 7%; no deben sobrepase estos valores, ya que si no el aporte de ácido láctico y de leche cuajada puede llegar a ser demasiado importante (en cuyo caso la textura es granulienta), e incluso la acidificación puede ser demasiado rápida (Luquet, 1993). La siembra consiste en la inoculación de los gérmenes específicos del
yogurt,
el
Lactobacilus
bulgaricus
y
el
Streptococus
thermophilus. La relación St./ Lb. varía desde 1/2 a 2/1 para el yogur natural hasta 10/1 para los yogures con frutas. La siembra debe hacerse a una concentración suficientemente elevada, ya que es preferible añadir una cantidad demasiado grande que demasiado pequeña, para asegurar una acidificación correcta.
Además las
bacterias pueden soportar mejor las condiciones desfavorables (falta de factores de crecimiento, restos de antibióticos, fase de latencia muy prolongada, etc.). También se evita el que la textura resultante sea arenosa y eventualmente la sinéresis en caso de retardo de la acidificación. (Luquet, 1993). Hay otro criterio que no debe despreciarse, y es el de que la siembra debe ser homogénea, es decir, que el reparto de gérmenes por la leche debe ser regular.
Actualmente esta operación se
realiza en continuo. (Luquet, 1993). La siembra, además de gérmenes activos, aporta también ácido y leche cuajada, ya que la acidez del inóculo es del orden de 85 90ºD. (Luquet, 1993).
La concentración de aminoácidos en el yogurt depende de la relación entre S. Thermophilus y L. Bulgaricus en los cultivos estárter, la proteolisis enzimática determina la liberación de peptidos de tamaño variable y de aminoácidos libres y estos cambios afectan a la estructura física del yogur (Tamime & Robinson, 1991). La concentración del cultivo iniciador determina la cinética de acidificación (Skriver, 1997). La relación L (+): D (-) del ácido láctico producido por el S. Thermophilus y el L. Bulgaricus, respectivamente, de datos observados en yogures comerciales se obtuvo la relación de 0,34 (en los productos muy ácidos) a 8,28 (es decir, con un claro predominio de la forma L (+)), han propuesto que para un yogurt de buena calidad el valor del cociente debería ser de 2. (Tamime & Robinson, 1991). La acidez es muy alta, se supone un inoculo superior al 3% o bien predominan los bacilos más que los cocos (Tamime & Robinson 1,991)
1.1.12.5.
Adición de Estabilizantes y Edulcorantes: La finalidad de la adición de estabilizantes a la mezcla base es mejorar y mantener las características deseables del yogurt, es decir, textura, viscosidad/consistencia, aspecto y cuerpo.
El
coágulo de yogurt es normalmente sometido a un tratamiento mecánico durante la elaboración, que implica: a) Agitación en el tanque de fermentación al final del período de incubación o en el tanque de refrigeración; b) Bombeo hacia un intercambiador de calor de placas o de tubos;
c) Mezcla para incorporar las frutas o aromas al coágulo, seguida de bombeo hasta la máquina de envasado; d) Tratamiento elaboración
térmico de
post-fermentación
“yogurt
pasterizado,
en
el
caso
UHT
o
de
de larga
conservación”. Todo ello puede determinar una disminución de la viscosidad o, en casos extremos, una separación del suero; este tipo de efectos se puede solventar mediante la adición de estabilizantes (Tamime & Robinson, 1991). La concentración de gelatina produce una mayor influencia en la consistencia del yogurt batido, siendo no significativa con la adición de almidón (Pauletti, 2003). Su adición al yogurt con la finalidad de retener agua y favorecer el aumento de la viscosidad (Boyle, 1972). Los ingredientes funcionales para el yogurt producen diferentes características que varían de acuerdo con el tipo de ingrediente, la dosificación y de la combinación de los mismos (Henning, 1992). Las fuerzas moleculares, el estado de agregación y la interacción entre las proteínas de la leche y los ingredientes funcionales tienen relación con la viscosidad, suavidad y sineresis del yogurt (Henning, 1992).
1.1.12.5.1.
Los ingredientes funcionales en el Yogurt. Aunque los términos “viscosidad y gelatinización” son generalmente entendidos por todos, desde estudiantes hasta procesadores, ambos tienen connotaciones técnicas. La viscosidad se puede definir como la resistencia entre una capa de fluido al combinarse con otra. Los geles por su parte, son redes macro moleculares tridimensionales que captan agua manteniendo una naturaleza
viscoelástica. La Viscosidad y la gelatinización afectan la textura de los alimentos (O’Donnell, 1999). El sabor en la boca involucra la sensación o las propiedades táctiles experimentados cuando un alimento o una bebida ingresa a la boca antes de efectuarse la deglución (O’Donnell, 1999). Fisiológicamente, la textura es percibida por tres grupos de mecanoreceptores: Las estructuras en la boca tales como la lengua, las encías y el paladar, los músculos y tendones involucrados en mascar y las membranas peridentales que encuentran alrededor de las raíces de los dientes. (O’Donnell, 1999). Todo este conjunto conforma un sistema sensorial humano capaz de detectar partículas menores de 5µ de diámetro y diferencias en viscosidad tan pequeñas como 1mPa/sec. Esta sensibilidad crea un reto muy grande a los procesadores de alimentos.
La percepción
de la textura de un alimento va cambiando según va siendo masticado. La masticación difiere entre los individuos y eso está relacionado con la percepción de la textura. (O’Donnell, 1999). Se han efectuado estudios que han revelado que los individuos que mastican por poco tiempo tienden a enfocarse en las propiedades iniciales del alimento. (O’Donnell, 1999). Los ingredientes funcionales, también llamados estabilizantes para el yogurt están principalmente basados en péctinas de bajo metoxilo, proteínas de leche, gelatinas y almidones modificados. También
se
usan
otros
ingredientes
como
las
gomas
o
hidrocoloides, pero debido a su interferencia en la fermentación del
yogurt aún en dosis muy bajas no son muy frecuentemente utilizados en yogurt. (Henning, 1999). Una amilosa lineal puede combinarse a través del hidrógeno, con otra molécula de amilosa. La porción de amilosa es la principal responsable de la gelatinización (Cheftel & Cheftel, 1979). Similarmente, las proteínas (por ejemplo, soya, carne, pescado o productos lácteos) e hidrocoloides también forman geles cuando sus moléculas se combinan para formar una matriz (O’Donnell, 1999). Las estructuras a base de partículas (tales como gránulos de fécula compuestos por amilosa y féculas de amilopectina) o proteína desnaturalizada que no forman lazos suficientemente fuertes, contribuyen a la viscosidad del producto y su palatibilidad. (O’Donnell, 1999). Los investigadores de Leatherhead Food R.A., en Surrey, Gran Bretaña, han investigado las interacciones de los hidrocoloides de las gomas y las féculas. Por ejemplo, los gránulos de fécula modificada pueden interactuar con la carragenina iota o con las gomas xanthan o guar para formar sistemas reforzados de mayor rigidez que la carragenina o la fécula solas. Un aumento similar en la fuerza del gel se observó en las mezclas de caseína y gelatina. El aumento de la viscosidad como resultado de la interacción sinergética entre las gomas xanthan y galactomanan son similares para muchos. Seleccionar
estrategias para resolver problemas
relacionados con los ingredientes, es siempre un reto. Enseguida presentamos unos cuantos ejemplos y resultados. (O’Donnell, 1999).
Para obtener una viscosidad que aumente después de pasteurizar el alimento o bombearlo se combinan féculas con carragenina. Algunas maltodextrinas, féculas o proteínas de suero de leche pueden incrementar la viscosidad durante el almacenamiento. Así como algunas féculas requieren ser calentadas para desarrollar sus propiedades de viscosidad/gelatinización, algunos hidrocoloides requieren que sus iones electropositivos se dirijan al cátodo. Esto puede ser una ventaja si la mezcla de un producto debe ser a fondo antes de que tome lugar la gelatinización. De esta manera, la pectina de bajo metoxilo, y los alginatos requieren calcio. La goma gellan también puede usar calcio, magnesio y otros iones comunes (tales como sodio, potasio e hidrógeno). La carragenina Kappa forma complejos con potasio, y la carragenina iota los forma con calcio
(las
carrageninas
comerciales
son
usualmente
una
combinación de las dos). La biotecnología de fermentación microbial nos ha proporcionado las gomas xanthan y gellan, y más recientemente la circulan, como ingredientes de textura.
Una
enzima que se está introduciendo en el mercado vincula la proteína a través de la glutamil - lisina. Esta transglutaminasa puede usarse potencialmente para aumentar la viscosidad en productos lácteos bajos en grasa o como agente gelatinizador en productos del mar. La tecnología para fraccionar y separar está siendo utilizada para aislar
las
proteínas
del
suero
lácteo
con
características
gelatinizantes únicas. (O’Donnell, 1999). El efecto de los principales ingredientes funcionales (Henning, 1999) fue analizado en yogurt descremado a través de: Scanning Electrón Microscopy; (SEM); Brookfield Viscosímetro; Evaluación Organoléptica. La estructura del yogurt fue observada a través de Scanning Electrón Microscopy (SEM). Estudios muestran una microestructura del yogurt que consiste en una red de partículas de caseína. Las partículas de caseína están unidas en racimos y/o
cadenas, formando una red con poros y áreas vacías en medio. La fase de agua se retiene en las áreas vacías y en los poros, y en el caso de romperse los poros se produce la sinéresis. (Henning, 1992). Susceptibilidad
a
sinéresis
y
viscosidad
son
importantes
propiedades del yogurt. La fuerza de las cadenas entre las partículas así como el estado de agregación e interacción entre las proteínas de leche y los ingredientes funcionales tienen relación con la viscosidad, suavidad y sinéresis del yogurt (Henning, 1992). En el caso de yogurt reforzado con leche descremada en polvo se puede observar una estructura formada por racimos relativamente grandes de proteínas de leche. El mismo yogurt pero con gelatina y sin refuerzo con leche descremada en polvo se puede observar que la gelatina hace conexión entre los racimos de proteínas de leche y como consecuencia, se obtiene una red relativamente homogénea (Henning, 1992). En el caso de yogurt con pectina, se observa una estructura compuesta de racimos de diferentes tamaños. En cambio, en el yogurt con almidón la estructura esta formada por racimos relativamente pequeños y compactos. Los gránulos de almidón se encuentran incrustados en la estructura de proteínas de leche (Henning, 1992). En el yogurt con una mezcla de gelatina, almidón y pectina, se puede observar una micro estructura homogénea con poros pequeños que facilitan la inmovilización de grandes cantidades de agua (Henning, 1992).
Todas las combinaciones evaluadas producían una viscosidad más alta que al usar leche descremada en polvo. Gelatina-almidónpectina y almidón-gelatina-pectina, en diferentes proporciones, producían la viscosidad más alta. La homogenización tenía un efecto negativo en la viscosidad de las muestras de almidón (Henning, 1992).
Combinación
de Dosificación (%)
Composición
Ingredientes SMP
2
Leche descremada en polvo
SB1
< 0.8
Gelatina, almidón, pectina
SB2
< 0.8
Gelatina, almidón
SB3
< 0.8
Gelatina, pectina
SB4
< 0.8
Almidón, gelatina, pectina
SB5
< 0.8
Almidón, gelatina
SB6
< 0.8
Almidón, pectina
SB7
< 1.2
Proteína de leche, pectina
SB8
< 1.2
Almidón,
proteína
láctea,
pectina
Las características organolépticas del yogurt sin grasa y con diferentes combinaciones de ingredientes funcionales fueron evaluadas por un panel de jueces entrenados. Estas características eran:
sensación
táctil
en
la
boca
(mouthfeel),
suavidad
(smoothness) y espesura (thickness). La sensación táctil en la boca fue para todas las combinaciones excepto SB2 (gelatina-almidón), evaluada como superior comparado con el yogurt de referencia con SMP. La suavidad es SB2 (gelatina-almidón) y SB3 (gelatinapectina) fue evaluada superior que en la referencia y relación a la espesura todas las combinaciones producían un yogurt más espeso que la referencia con SMP (leche descremada en polvo). (Henning, 1992).
En ninguna de las muestras se observo presencia de sinéresis aún seis días después de ser producidos. (Henning, 1992). Los ingredientes funcionales para el yogurt producen diferentes características que varían de acuerdo con el tipo de ingrediente y la dosificación y también de la combinación de los mismos. La pectina (debajo metoxilo) produce una estructura firme que se puede describir como un gel suave. La desventaja con pectina es que frena la fermentación cuando sobrepasa cierta dosis y el yogurt tiende a ser quebradizo. (Henning, 1992). La gelatina produce una alta viscosidad en el yogurt, pero al mismo tiempo tiene una desventaja, es que se requieren dosificaciones más altas que los otros ingredientes mencionados para producir la misma viscosidad con algunas de las fracciones de proteínas de leche que con otros ingredientes funcionales (Henning, 1992). La consistencia fina del yogurt depende en parte de factores de fabricación, pero también hay que tener en cuenta el papel que desempeñan los microorganismos en la obtención de una buena textura,
suave
y
viscosa,
por
producción
de
sustancias
mucilaginosas. Además estas sustancias son importantes porque disminuyen la necesidad de estabilizantes, favorecen la retención de aromas y confieren un aspecto brillante. Las sustancias mucilaginosas son normalmente amino-azúcares que contienen polisacáridos extracelulares y la cantidad producida varía en función de las cepas (Varnam & Sutherland, 1995). Las cepas productoras de sustancias viscosas de Streptococus salivarius, Streptococus thermophilus tienen en el yogurt un importante papel como estabilizantes de la red proteica (Varnam & Sutherland, 1995).
Probablemente
los
compuestos
más
importantes
son
los
polisacáridos, aunque también puede intervenir el ácido lipotecoico. La naturaleza de los polisacáridos extracelulares varía dependiendo de las cepas y algunos investigadores han descrito que la glucosa y la galactosa son los componentes mayoritarios, aunque las proporciones entre los dos azúcares son variables. Se ha señalado la presencia del aminoazúcar N-acetilgalactosamina y también pueden estar presentes pequeñas cantidades de arabinosa, manosa, ramnosa y xilosa. Se ha aislado de un cultivo comercial de yogurt un tipo distinto de polisacárido extracelular compuesto por ramnosa y galactosa en proporción 1:1,47. (Varnam & Sutherland, 1995). Los estudios realizados por microscopía electrónica han mostrado que
los
microorganismos
fermentadores
se
encuentran
en
“bolsillos” en el coágulo de yogurt con filamentos de polisacáridos que unen las bacterias con la red del coágulo. (Varnam & Sutherland, 1995). El papel que desempeñan estas sustancias en la viscosidad y en la textura, es más evidente en las leches viscosas escandinavas, en las que la naturaleza de las sustancias viscosas es muy variable (Varnam & Sutherland, 1995).
1.1.12.5.2. Adición de Azucares Edulcorantes Disminución de la cinética de acidificación en leche con un extracto seco total del 16,5% cuando la concentración del azúcar se incrementaba de un 6 a un 12% (Tamime & Robinson, 1991). El
S.thermophilus
concentraciones
de
presenta azúcar
mayor que
tolerancia
L.bulgaricus,
a
las
altas
(Steinsholt
&
Abrahamsen, 1978; Marshall & Mabbitt, 1980, citados por Tamime, 1991). La inhibición del crecimiento de los cultivos estárter del yogurt en la leche con un extracto seco total del 14 - 16% adicionado de azúcar (10 - 12%), se debe principalmente a un efecto osmotico adverso de los solutos de la leche, así como a una baja actividad de agua (Labuza, 1980; Shallenberg & Birch, 1980). Se establece la adición hasta un máximo de 5% del agente edulcorante ó azúcar en la mezcla base (Bruno & Fregossi, 2003). Las penicilinas, en cantidad de residuos inhibe el crecimiento de Sthermophilus y L.bulgericus, interfiriendo en la protelisis (Robinson & Tamime, 1991). El estudio cinético de los yogures producidos con la mezcla de cepas viscosas y no viscosas muestra que los mismos son resistentes a Gppb de penicillum G en un sustrato con 10% de azúcar (Bruno & Fregossi, 2003).
1.1.12.6.
TRATAMIENTOS TECNOLÓGICOS:
1.1.12.6.1. Homogenización: Aumento de viscosidad debido a: a) Modificación de la capacidad de retención de agua de las proteínas de la leche, que tiende a reducir la sineresis (Grigorov, 1966a) b) Aumento de la cantidad de material de membranas del glóbulo graso, es decir, de fosfolípidos y proteínas presentes en la fase desnatada, que también mejora la capacidad de retención de agua del coágulo (Samuelsson & Christianse, 1978).
c) Incremento de la viscosidad, por reducción del tamaño de los glóbulos grasos y aumento de la absorción sobre las micelas de caseína, lo que determina un aumento del volumen total efectivo de sustancias en suspensión (Varnam & Sutherland, 1995).
1.1.12.6.2. Tratamiento térmico: -
Destrucción de Microorganismos Patógenos
El tratamiento térmico al que es sometida la leche destinada a la producción de yogurt es suficiente para destruir la mayor parte, si no todas las formas vegetativas de los microorganismos presentes en la leche cruda, pero algunos microorganismos esporulados y algunas enzimas termoestables pueden resistir estos tratamientos. La disminución de los efectos de competitividad hace de la leche sometida a tratamiento térmico un buen medio de cultivo para los microorganismos estárter del yogurt, pero a pesar de ello, la calidad bacteriológica de la leche cruda y de los ingredientes deshidratados empleados para la preparación de la mezcla base es de gran importancia (Luquet, 1993). Una elevada contaminación por bacterias psicrófilas puede implicar una degradación de la caseina β y αsl
(Debeukellar et. al., 1977)
y de los constituyentes de la grasa de la leche. La degradación de la caseína puede dar lugar a un coágulo frágil y a la subsiguientes separación del suero y el enranciamiento lipolítico a la aparición de aromas extraños (Cousin, 1977; Cousin y Marth, 1977 a,b). Otro aspecto importante a destacar es que las enzimas (peptidasas y lipasas) de algunas especies de Pseudomonas son termoestables, siendo necesario recurrir a tratamientos térmicos extremadamente intensos, por ejemplo de 150ºC, para lograr su inactivación (Mayerhofer
et,
al.,
1973;
Adams
&
Brawley,
1981).
Afortunadamente, la presencia de estas enzimas no representa un problema significativo en la industria del yogur (Cogan, 1977). La pasterización puede reemplazarse por la esterilización, realizada por inyección directa de vapor o por calentamiento indirecto (varios segundos a 135 - 140ºC).
En este caso, se constata que la
viscosidad del producto final es menor. (Luquet, 1993).
-
Producción de Factores Estimulantes e Inhibidores
El calentamiento de la leche puede determinar la producción de ciertos factores que pueden estimular o inhibir la actividad de los cultivos estárteres lácticos. El trabajo de Greene & Jezeski (1957 a,b,c) resume el conjunto de estos fenómenos del modo siguiente: 1) estimulación de los cultivos estárter en leche sometida a un tratamiento térmico de 62ºC/30 minutos o de 72ºC/40 minutos; 2) inhibición de los cultivos estárter en leche sometida a un calentamiento entre 72ºC durante 45 minutos, 82ºC durante 10-120 minutos o 90ºC durante 1-45 minutos; 3) estimulación de los cultivos estárter en leche sometida a un tratamiento térmico de 90ºC durante 60-80 minutos o a 120ºC durante 15-30 minutos. 4) Inhibición de los cultivos estárter en leche sometida a tratamiento en autoclave (120ºC) durante más de 30 minutos.
Este aparente ciclo de estimulación / inhibición / estimulación / inhibición es debido a los cambios experimentados por las proteínas del lactosuero y puede ser reproducido mediante adición de proteínas del lactosuero desnaturalizadas o de clorhidrato de cisteína. El paso de una etapa del ciclo a otra, como resultado de los diferentes tratamientos térmicos podría ser consecuencia de la liberación de compuestos nitrogenados desnaturalizados. Por ejemplo, a concentraciones de cisteína añadida de 0,15-0,20 mg/ml o de 10-20 γ/ml aumenta el número de grupos SH que quedan libres tras el calentamiento.
La
cisteína actúa como factor estimulante en leche cruda y sometida a un calentamiento suave, pero cuando el tratamiento térmico es intenso estas mismas concentraciones actúan como inhibidoras.
Teniendo en cuenta esta idea estos mismos
autores exponen la siguiente explicación para el ciclo de estimulación/inhibición.
-
la estimulación inicial es atribuible a diversos factores (Tamime & Deeth, 1980);
-
la adición de cisteína, glutation o tioglicolato y la eliminación del oxígeno determinan un efecto estimulante;
-
la inhibición se debe a un exceso de concentración de cisteína en la leche, acompañado de un aumento de los compuestos sulfurados volátiles;
-
el segundo ciclo de estimulación se debe a la disminución de la concentración de compuestos sulfurados tóxicos como resultado de un intenso calentamiento, o quizás a la formación de ácido fórmico.
Dutta, Kuila & Ranganathan (1973) han investigado el efecto de los distintos tratamientos térmicos sobre la producción de ácido y flavor por diversas cepas de bacterias ácido-lácticas, incluyendo S.thermophilus y L.bulgaricus.
En la Tabla
7 se
presenta un resumen de sus resultados. La intensidad del calentamiento tiene un efecto variable sobre la actividad de los cultivos estárter del yogurt, no habiendo sido discutidas las razones de este comportamiento.
•
Cambios en las Propiedades Físico-Químicas de la Leche.
TABLA 7: Efecto del Tratamiento Térmico de la Leche sobre la Actividad de los Cultivos Estárter del Yogurt. S.thermophilus
L.bulgaricus
_____________________ Parámetro determinado
63ºC/
85ºC/
T.vapor
______________________ 63ºC
85ºC/
T.vapor
Acidez titulable (% de ácido láctico)
1,00
0,85
0,66
1,60
1,70
1,62
Acidez volátil (ml de NaOH
9,00
9,00
7,00
40,00
34,50
31,00
13,00
12,00
6,00
12,00
13,00
0,00
0,34
0,25
0,18
0,25
0,18
0,09
0,1N/50g de coágulo) Diacetilo (ppm)* Actividad proteolítica (mg de tirosina liberados/g de coágulo) * La concentración de diacetilo es anormalmente elevada. Tomado de Dutta, Kuila y Ranganathan (loc. Cit). Reproducido con permiso de Milchwissenschaft. (Tamine & Robinson, 1991)
•
Efecto del Tratamiento Térmico sobre las Proteínas: Las proteínas del lactosuero, se encuentran en disolución y presentan una conformación más definida, compacta y globular que las casínas.
Esta estructura se debe a la
formación de puentes disulfuro entre los residuos de cisteína presente, a la ausencia de grupos fosfato y al hecho de que no reaccionan con el calcio ni se agregan unas con otras en
su estado nativo (Tamime & Robinson, 1991).
Las
propiedades funcionales de las proteínas del lactosuero se evidencian
más
tras
el
tratamiento
de
la
leche
a
temperaturas superiores a 80ºC, las cuales determinan la desnaturalización de las mismas, que reaccionan caseína formando micelas más estables.
con la
Los datos
comparativos del efecto del calentamiento sobre las proteínas de la leche de distintas especies (incluyendo las caseínas) se muestran en la Tabla 8.
Tabla 8: Variaciones De Las Fracciones Nitrogenadas De La Leche De Distintas Especies Tras El Tratamiento Térmico. Vaca
Fracción
Cabra
Oveja
_________________
_________________ __________________
63ºC/
63ºC
80ºC/ 120ºC
80ºC
120ºC
30min 10min 15min
63ºC
80ºC 120ºC
nitrogenada
30min 10min 15min
30min 10min 15min
Caseína
+0,60 +14,95 +18,77
0
+24,43 +25,31
-1,61
-45,63 -57,77
0
-35,90 -41,81 -10,50 -68,06 –76,05 -58,08 -70,58 -15,07 -79,39 -93,96
+3,98 +26,35 +2,35
Proteínas distintas A la caseína Proteínas solubles
-2,23
-62,40 -89,48
0
β-Lactoblogulina
-1,80
-59,56 -94,30
0
-
0
+4,76
Nitrogeno no proteico
0
0
+25,00
-100,00 –34,65 -74,25 -100,00 +4,76 +11,36 +15,00 +15,00
Adaptado de Ramos (1978); (Tamine & Robinson, 1991)
La estabilidad del coágulo del yogurt depende posiblemente, en primer lugar, de la formación de un gel ácido y, en segundo lugar, de la intensidad y tipo de tratamiento térmico, lo cual se confirma por los siguientes hechos (Tamime & Robinson, 1991; Varnam & Suthrland, 1995). a) Las propiedades hidrofílicas óptimas de las proteínas y por tanto la coagulación de la mezcla del yogurt se manifiestan tras el calentamiento de la leche a 85ºC durante 30 minutos (Grigorov, 1966b,c). En la Tabla se muestra el efecto de distintos tratamientos térmicos sobre la coagulación de la leche de vaca.
La mejora
observada en la velocidad de formación del gel se debe posiblemente a las interacciones entre la β-lactoglobulina (β-Lg) y la caseína, ya que el calentamiento de la leche a 80ºC durante 30 minutos desnaturaliza el 90% del la β-Lg y el 60% de la αlactalbúmina (α-La). La máxima hidratación de las proteínas, de acuerdo con Grigorov (1966c), se observa cuando la leche se calienta a 85ºC y disminuye gradualmente a medida que aumenta la temperatura, opinión compartida por muchos investigadores, incluyendo Prodanski (1967); Iyengar, Nambudripad & Dudani (1967).
Esta disminución de las propiedades hidrofilícas de los
complejos caseína/β-Lg lactoglobulina puede tener un efecto no deseable sobre la calidad del yogurt, posiblemente aumentando la tendencia a la sinéresis por lo que, dejando a parte otras consideraciones, el tratamiento térmico de la leche no debe superar los 85ºC. b) El efecto del calor sobre las proteínas, de acuerdo con Parry (1974), tiene lugar en dos etapas. En primero lugar se produce una alteración de la estructura, causando la desnaturalización y, en segundo
lugar,
una
agregación
seguida
de
coagulación,
dependiendo de la intensidad y duración del calentamiento. Como resultado del tratamiento térmico los grupos – SH de la β-Lg se activan (Janness & Patton, 1959).
Tabla 9: Efecto Del Tratamiento Térmico Sobre El Proceso De Coagulación Durante La Fabricación De Yogurt. Tratamiento térmico _______________________________________________ Parámetro
85ºC
85ºC/
Tiempo de coagulación
2,43
2,01
2,34
2,04
2,29
2,04
0,63
0,49
0,63
0,50
0,63
0,50
4,70
5,16
4,78
5,12
4,80
5,08
30 min
90ºC
90ºC/
95ºC
30 min
95ºC/
30 min
Acidez en el momento de la Coagulación PH en el momento de la coagulación Adaptado de Grigorov (1966b).
Los agregados formados son de dos tamaños dependiendo de los grupos reactivos involucrados: agregados pequeños β-Lg (3,75) con grupos – SH libre y agregados de β-Lg de mayor tamaño (295) en los que hay un importante número de puentes disulfuro (S-S) (Tamime & Robinson, 1991). Los datos publicados sobre la desnaturalización de la βlactoglobulina por el calor reconocen la interacción entre la β-Lg y la k-caseína. No obstante, las últimas investigaciones sugieren que la α-La también está implicada. La reacción puede esquematizarse del modo siguiente: (Varnam & Sutherland, 1995). β-Lg
β-Lg
(agregados
(agregados
pequeños)
grandes)
α-La (β-Lg)
+α-La +
α-caseína
α-La (β-Lg) α-caseína – (micelas de caseína)
c) Estudios realizados por microscopía electrónica del barrido de los geles obtenidos a partir de leche sometida y no sometida a
tratamiento térmico demuestran algunas importantes diferencias en las características de las micelas de caseína. En el caso de la leche sometida a calentamiento los geles se forman a medida que las micelas aumentan de tamaño y forman una matriz reticular. Este comportamiento determina una distribución continua de la proteína en toda la masa del yogurt, quedando la fracción acuosa retenida en la red formada. El coágulo resultante es firme y menos susceptible a la sinéresis. Por el contrario, las micelas de caseína en leche no tratada térmicamente forman agregados o racimos, quedando la proteína distribuida de modo heterogéneo.
Esta
heterogeneidad empeora la inmovilización del agua, lo que hace que el coágulo sea mucho más débil, aproximadamente un 50% en comparación con el anterior. d) Un estudio realizado con leche sometida a un tratamiento de 95ºC durante 10 minutos demostró la existencia de apéndices filamentosos formados por β-Lg/k-caseína.
En esta interacción
parecen participar enlaces disulfuro y puentes de calcio formados, por ejemplo, por fosfato cálcico y citratos. Estos tienden a hacerse más difusos después de la fermentación, pero su presencia en el coágulo formado por la leche calentada inhibe la cohalescencia de las micelas, dando lugar a coágulos más firmes con menos tendencia a la sinéresis. e) Estudios realizados por microscopía electrónica de barrido demuestran que S.thermophilus y L.bulgaricus forman “bolsillos” en la matriz proteica del coágulo del yogurt.
Algunos autores han
considerado estos “bolsillos” como artefactos causados por la liofilización de la muestra, pero tanto la microscopía electrónica de transmisión (MET) como la “criofractura” del yogurt, es decir, la sección del mismo cuando aún confirman
la
existencia
de
está presente la fase acuosa, estos
“bolsillos”.
Además
las
mircrografías electrónicas de barrido demuestran la existencia de filamento de polisacáridos producidos por cepas mucosas o viscosas de estárteres del yogurt. f) Las dimensiones de las partículas de caseína en el yogurt dependen de la concentración de extracto seco total en la mezcla base.
Se observó que el tamaño de las partículas de caseína
disminuye a medida que aumenta la concentración de extracto seco total de la leche no habiendo sido explicada la razón de este fenómeno. (Tamime & Robinson, 1991) g) La separación de la grasa en a leche fría está influenciada por la acción de las globulinas que favorecen la agrupación de los glóbulos grasos, los cuales ascienden hacia la superficie (Mulder & Walstra, 1974).
Por esta razón, la desnaturalización de las
globulinas de la leche como resultado del tratamiento térmico determina una disminución del espesor de la capa de crema formada (Jenness & Patton, 1959). Esta acción puede resultar muy positiva para los pequeños fabricantes de yogurt, cuyas líneas de procesado no incluyen la etapa de homogenización. Además la leche sometida a tratamiento térmico se vuelve más blanca, fenómeno previo a un ligero pardeamiento de la misma. De acuerdo con Burton (1954) esto podría atribuirse a: (i)
floculación de las proteínas del suero;
(ii)
modificación de los agregados de caseína;
(iii)
paso del calcio soluble a un estado coloidal o insoluble.
1.1.12.6.3. Enfriamiento El enfriamiento del coágulo comienza inmediatamente después de alcanzar la acidez óptima del producto, es decir, a un valor de pH aproximadamente de 4,6 o una concentración de ácido láctico del 0,9%, dependiendo del tipo de yogurt producido, el método de refrigeración empleado y/o la eficacia de la transmisión de calor. El objetivo básico del enfriamiento es disminuir la temperatura del coágulo de 30-45ºC a menos de 10ºC tan rápidamente como sea posible, para así controlar la acidez del producto final (actividad de las bacterias acidolácticas mínima a temperaturas inferiores a los 10ºC). El coágulo es más estable a bajas temperaturas que a temperaturas superiores a 20ºC. El enfriado debe realizarse en dos etapas la primera hasta los 24ºC, para ser envasado y almacenado durante un período mínimo de 12 horas hasta lograr que el producto disminuya su temperatura hasta los 5ºC, permitiéndole obtener así, una máxima viscosidad. Debe señalarse que el enfriamiento del yogurt comienza a valores de pH relativamente altos y que por lo tanto la velocidad de enfriamiento (lenta o rápida) condiciona la acidez del producto final (Tamime & Robinson, 1991). Cuando la acidificación alcanza un cierto valor (70-80ºD en el caso de yogures tradicionales, 100-120ºD en los yogures batidos), hay que bloquear el proceso inhibiendo el desarrollo de las bacterias lácticas, para lo que se debe disminuir considerablemente la temperatura; a esta fase se le llama enfriamiento, y se lleva a cabo de formas diferentes, dependiendo del tipo de producto.
Los
yogures tradicionales, una vez sacados de la estufa, se enfrían en camisas frían muy ventilado, cada vez con más frecuencia, en túneles de enfriamiento, antes de ser almacenados en cámaras frías a 2 a 4ºC.
En los yogures batidos, el enfriamiento se lleva a cabo por medio de cambiadores-refrigeradores de placas, tubulares o de superficie rascada, ya que en tinas el enfriamiento sería muy lento, daría una sobreacidificación (Luquet, 1993).
1.1.13.
ACIDEZ, pH Y MÉTODOS DE VALORACIÓN
1.1.13.1.
El pH.La figura 2 muestra las zonas de disociación de los principales componentes ionizables que se encuentran en la leche, en relación con tres valores característicos: pH normal de la leche, pH de valoración en presencia de fenolftaleína y pH de precipitación de la caseína. Estos datos ayudarán a comprender los conceptos siguientes:
Figura 2: Escala de disociación de los ácidos y bases en la leche.
En general, la leche tiene una reacción iónica cercana a la neutralidad. La leche de vaca tiene una reacción débilmente ácida, con un pH comprendido entre 6,6 y 6,8, como consecuencia de la presencia de caseína y de los aniones fosfórico y cítrico, principalmente. El pH no es un valor constante, sino que puede variar en el curso del ciclo de la lactación y bajo la influencia de la alimentación. Con todo, la amplitud de las variaciones es pequeña dentro de una misma especie. En lo que se refiere a la leche de vaca, deben considerarse como anormales los valores de pH inferiores a 6,5 o superiores a 6,9. El calostro de vaca tiene un pH más bajo a causa de su elevado contenido en proteínas. El pH de la leche cambia de una especia a otra, dadas las diferencias de su
composición química, especialmente en caseína y fosfatos. Sustancias, ácidos o bases débiles, son tampones de pH, alrededor del punto de semi-neutralización que corresponde al valor pK, estas sustancias frenan las variaciones del pH. Intervienen principalmente la caseína, por sus grupos ésteres fosfóricos, y el ácido fosfórico por su función secundaria; en segundo lugar interviene: el ácido cítrico que casi se neutraliza a pH 6,6, el ácido carbónico (bicarbonato) y los grupos α–aminados libres. De hecho, la valoración acidimétrica de la leche fresca es una medida indirecta de su riqueza en caseína y fosfatos.
La acidez desarrollada por
la fermentación láctica hace bajar el pH, entre 4 y 5. A este nivel todos los ácidos orgánicos presentes intervienen en la valoración; y sobre todo el ácido cítrico. (Alais, 1991; Scott, 1991). Los cambios biológicos, bioquímicos y físicos que tienen lugar desde el momento del ordeño hasta que termina la maduración del queso, se controlan o vigilan, en parte, midiendo el pH (concentración de hidrogeniones) bien sea en la leche, o en la cuajada. La temperatura influye sobre los cambios de pH y otros cambios que se producen como consecuencia de la presencia de oxígeno, de la concentración de otros componentes, de reacciones químicas y de cambios físicos. El delicado equilibrio físico existente entre los componentes de la leche, al que contribuyen: la ionización de sus componentes, la unión de los protones a otras sustancias y la dispersión entre las fases de las sales y las proteínas, le confieren a aquella cierta capacidad tampón frente a eventuales cambios de pH. El equilibrio acidobásico de la leche o el suero constituye una indicación muy útil para el control del proceso de la fabricación del queso. Las medidas de pH pueden realizarse durante todo el proceso de transformación de la leche de líquido a sólido, pero su interpretación presenta a veces algunas dificultades. El pH de la leche depende en mayor grado de la temperatura que,
por ejemplo, el de los tampones fosfato. Por ello, la comparación de los valores de pH correspondientes a distintos métodos de fabricación únicamente es válida cuando se efectúa a la misma temperatura, ya que, así como en los tampones fosfato el pH solamente desciende entre 20 y 30ºC 0,03 unidades, en la leche descendería 0,10 unidades. Las sustancias responsables de que la leche posea una capacidad tampón tan elevada y de que constituya por tanto un sistema tan estable son principalmente las proteínas, los fosfatos, los citratos y los carbonatos. En la leche, el calcio y el magnesio se hallan presentes en forma libre y formando complejos con los radicales fosfato de la caseína y con los citratos. Además, tanto el calcio como el magnesio influyen en la valoración de la leche, ya que pueden precipitar en forma de fosfacoloides. En estos cambios influye también el tiempo transcurrido durante la valoración por lo que debe llevarse a cabo con rapidez. Las sustancias neutras y alcalinas elevan el pH. (Scott, 1991). El pH representa la acidez actual de la leche, de él dependen propiedades tan importantes como la estabilidad de la caseina. (Alais, 1996).
1.1.13.2.
Valoración del pH La medición potenciométrica con el “pH-metro” es la única precisa; el sistema de electrodos más generalmente utilizado está formado por el par electrodo de referencia de calomelanos con cloruro potásico saturado – electrodo de vidrio. (Alais, 1996). Los electrodos son instrumentos muy delicados. Su vidrio puede rayarse o arañarse con facilidad por lo que deben utilizar y guardarse cuidadosamente. Tanto los electrodos ácidos como los alcalinos pueden dar lugar a errores. Como las características del
electrodo dependen, en parte, de la composición del vidrio que constituye su membrana, cada tipo de medida requiere la elección del electrodo más apropiado. El pH es la medida de la concentración de hidrogeniones disociados en el medio y no una medida de acidez como la que se obtiene por valoración. Como la disociación iónica aumenta con la temperatura, el pH de una solución desciende al aumentar aquella sin
que
la
acidez
varíe.
Por
ello,
los
electrodos
deben
estandarizarse a una temperatura determinada dentro de un estrecho margen de pH. (Scott, 1991). Las medidas electrónicas de pH, aunque son muy rápidas, deben interpretarse adecuadamente dada la elevada capacidad tampón de la leche y la cuajada. A pesar de todo ello en la actualidad el pH puede medirse durante todo el proceso de elaboración desde la leche al queso, lo cual constituye una ventaja muy importante. El pH representa la medida de la concentración de iones en la solución y por tanto mide también la reactividad de los componentes de la misma y es, por tanto, al contrario de lo que sucede con la acidez de valoración, (que indica esencialmente la capacidad tampón de la leche hasta el pH de 8,3), un parámetro que afecta a las reacciones biológicas y bioquímicas. No existe una correlación directa entre el pH y la acidez de valoración, por lo que el quesero no puede hacer uso de estas medidas indistintamente. (Scott, 1991).
1.1.13.3.
Valoración de la Acidez Lo que habitualmente se conoce como acidez de la leche es el resultado de una valoración; se añade a la leche el volumen necesario de solución alcalina valorada para alcanzar el punto de
viraje de un indicador, generalmente la fenolftaleína que vira el incoloro al rosado hacia pH 8,4. Se trata de un nivel arbitrario. (Alais, 1996). La acidez de valoración es la suma de cuatro reacciones. Las tres primeras representan la acidez “natural” de la leche, que equivale como término medio a 18 c.c. de solución normal (N/10) por litro de leche. 1.
Acidez debida a la caseína; alrededor de 2/5 de la acidez natural.
2.
Acidez debida a las sustancias minerales y a los indicios de ácidos orgánicos; igualmente unos 2/5 de la acidez natural.
3.
Reacciones secundarias debidas a los fosfatos; sobre 1/5 de la acidez natural. Estas reacciones se han designado con el término “over-run”.
4.
Acidez “desarrollada”, debida al ácido láctico y a otros ácidos procedentes de la degradación microbiana de la lactosa en las leches en vías de alteración. (Alais, 1996). Para determinar la acidez de la leche se empleó hasta 1899 el test de la “alcalinidad” (“soda test”), pero en esta fecha, 1996, Lloyd propuso la utilización del acidímetro para determinar la cantidad del ácido presente en los productos lácteos líquidos, lo que hizo posible el establecimiento de métodos más precisos para la elaboración de queso. En las industrias lácteas se utiliza en la valoración de la acidez el punto de viraje de la fenolftaleína (pH 8,3) ya que el cambio de color de esta substancia a este pH se observa con mucha facilidad (del blanco al rosa). (Sucede además que una solución de lactato sódico posee un pH de 8,3 aproximadamente. Se emplea para ello una solución de hidróxido sódico N/9, ya que de esta forma el número de
mililitros de esta solución empleados en valorar 10 ml de leche) se puede transformar fácilmente en “ácido láctico por ciento” (por ejem., 1,9 ml de NaOH N/9 ~ 0,19% de ácido láctico). La expresión “ácido láctico por ciento” es una medida arbitraria ya que no todos los ácidos que se valoran en la leche son ácido láctico. Se valoran también las proteínas, así como, los ácidos grasos y los fosfatos, citratos, carbonatos y sulfatos de calcio y magnesio. De hecho el anhídrido carbónico disuelto en forma de carbonatos da cuenta del 0,02% de la acidez, ya que la leche contiene así un 4% (en volumen) de CO2 disuelto. (Scott, 1991). 1.1.13.4.
Formas de expresar la acidez 1. El “grado Dornic” (ºD), empleado en Francia, expresa el contenido en ácido láctico; la acidez Dornic es el número de décimas de c.c. de sosa N/9 utilizada para valorar 10 c.c. de leche en presencia de fenolftaleína, (N/9 porque el ácido láctico tiene un peso molecular de 90). Es evidente que: 1º D =
1 mg de ácido láctico en 10 c.c. de leche, o sea 0,1 g/litro, ó 0,01% de ácido láctico.
2. El “grado Soxhlet-Henkel” (S.H.), utilizado en Alemania y en Suiza, no toma el ácido láctico como referencia. Equivale a 1 c.c. de sosa N/4 utilizado para valorar 100 c.c. de leche (la valoración se hace habitualmente sobre 50 c.c.), se comprueba que: 1º SH = 2,25º Dornic. (Alais, 1996). En una leche ácida a punto de cuajar (pH 4,6) alrededor del 90% del ácido formado se encuentra en estado de ion lactato; a este nivel de pH se valoran otros aniones, fosfato, citrato, bicarbonato,
etc., debido a que la acidificación por el ácido láctico ha reducido la ionización de estas sales. La medición de la acidez parece ser muy fácil, pero también puede ser de gran imprecisión, en razón de varias causas de error debidas a la opacidad de la leche: a. La cantidad de indicador influye mucho; se puede comprobar una diferencia de 3ºD (0,3 c.c. de NaOH N/9) empleando una gota solamente (19ºD) o 10 gotas (16ºD) de solución de indicador. Es preciso utilizar siempre la misma cantidad, por ejemplo, 0,1 c.c. de solución de fenolftaleína al 1% en alcohol de 95º (y no contar las gotas). b. El punto final de la valoración no es un momento preciso porque depende de la agudeza visual del operador; se recomienda hacer una comparación de tanteo con un mismo volumen de leche adicionada de una cierta cantidad de solución coloreada standard: fucsina, sulfato de cobalto, etcétera. (Alais, 1996). Los valores de pH y de la acidez de valoración no están estrechamente ligados. Hay variaciones sensiblemente paralelas en ciertos casos, pero puede haber una gran divergencia entre estos valores, por ejemplo, en el caso del suero de quesería (suero fresco, al romper la cuajada), en el que la acidez baja, debido a la separación de la caseína y de los fosfatos, y cuyo pH difiere poco del de la leche de la cual procede. Los valores de acidez comprendidos entre 15 y 22ºD no dan indicaciones precisas sobre el estado de la leche. (Alais, 1996).
1.1.14.
VISCOSIDAD DE LECHE Y YOGURT
La leche es mucho más viscosa que el agua. Esta mayor viscosidad se debe, sobre todo, a la materia grasa en estado globular y a las macromoléculas proteicas; las sustancias en solución sólo intervienen en una pequeña parte. El lactosuero es, por lo tanto, menos viscoso que la leche descremada, y ésta menos que la leche entera, La viscosidad media a 20º, en centipoises es: (Agua: 1,006)
Leche entera: 2,2
Leche desnatada; 1,9
Solución de lactosa al 5%: 1,2
La viscosidad de la leche es la causa de la resistencia a la subida de los glóbulos grasos para formar la crema. La viscosidad disminuye con la elevación de la temperatura; a 20º no es más que la mitad, y a 40º el tercio de la que tiene a 0º. Toda modificación o alteración que actúe sobre la grasa o las proteínas, tendrá un efecto sobre la viscosidad: 1. La homogeneización eleva la viscosidad de la leche; el factor de multiplicación está comprendido entre 1,2 y 1,4. 2. Se han descrito varios procedimientos para el tratamiento térmico de la crema (recalentamiento seguido de enfriamiento) que permiten obtenerla más viscosa (cualidad importante desde el punto de vista comercial, porque una crema viscosa parece más rica). 3. Los factores que producen variaciones en el estado de hidratación de las proteínas (variación del agua ligada) también son causa de cambios en la viscosidad.
La contaminación de ciertos microbios aumenta la viscosidad de la leche, especialmente los estreptococos lácticos de la llamada “leche filante” (Alais, 1996). El yogurt se puede comercializar básicamente en tres estados físicos distintos, yogurt tradicional, yogurt batido y yogurt líquido o “para
beber”,
teniendo
cada
una
de
estas
formas
unas
características peculiares. La típica estructura de gel del yogurt tradicional, por ejemplo, no puede confundirse nunca con el estado semilíquido de la variedad batida, si bien la baja viscosidad de algunas marcas de yogur batido sólo permite que estos sean consumidos bebidos. Obviamente este deterioro de la imagen del producto no es aconsejable y, aunque puede resultar inevitable la salida al mercado de una partida de baja calidad, garantizar la “viscosidad óptima” es algo que siempre resulta incómodo para los fabricantes. En la práctica diaria cada fabricante adopta su propio estándar de viscosidad (o consistencia en el caso del yogur tradicional) y trabaja de acuerdo con estas especificaciones, de forma que el control de rutina de estas propiedades físicas se convierte en una fase más del control de calidad. (Tamime & Robinson, 1991).
1.1.14.1.
Viscosidad del Yogurt batido y Yogurt líquido Sherman (1970) ha estudiado los distintos métodos existentes para la determinación de la viscosidad de los productos líquidos. En el presente contexto el interés se centra en el establecimiento de una comparación objetiva entre distintas muestras o entre una muestra determinada y un valor estándar que representa a un producto de calidad aceptable, para lo cual pueden ser utilizadas varias técnicas.
Algunos
fabricantes
de
yogurt
recurren
a
técnicas
extraordinariamente sencillas, como por ejemplo:
-
Tomar una muestra de yogur con la parte convexa de una cuchara e inclinar ésta suavemente hacia abajo. La velocidad con la que el yogur cae por la cuchara refleja directamente su viscosidad. Con esta misma técnica se puede comprobar también cualquier heterogeneidad o irregularidad en el coágulo;
-
Introducir una cucharilla de café de plástico en un envase de comercialización conteniendo el yogur. Cuando esta se mantiene vertical se puede considerar que el producto presenta una viscosidad aceptable.
Aunque estas apreciaciones son extremadamente subjetivas pueden servir como orientación sobre la calidad del producto acabado. No obstante es más frecuente la utilización de técnicas más reproducibles,
existiendo
varias
apropiadas
para
estas
determinaciones. Davis (1970) ha descrito la utilización de un cilindro giratorio que se va inclinando poco a poco el ángulo necesario para que la muestra comience a caer, sirviendo como medida de la viscosidad del producto el ángulo necesario para que la muestra comience a fluir. Otra técnica consiste en la determinación del tiempo necesario para que una esfera metálica de tamaño estándar descienda una cierta profundidad en el seno de un volumen dado de yogur (Tamine & Rbinson, 1991). En la figura 3 se muestra un esquema del aparato utilizado por Peter y Lolkema (1951) basado en este principio. Otro método aplicable es la determinación de la velocidad con la que fluye el yogur a través de embudos con un orificio de un determinada tamaño. Con el
embudo “simple” de Posthumus (que se esquematiza en la Fig. 3) la viscosidad del producto se determina en función del tiempo que tarda la superficie del yogur en pasar entre los “puntos” de partida y la “aguja” central. (Posthumus, 1954). En Holanda (Galesloot, 1958) y en Africa del Sur (Ginslov, 1970) se ha utilizado una técnica semejante, mientras que en Suecia las Asociaciones lecheras suecas jugaron un papel esencial en el desarrollo del aparato que se muestra en la Figura 3 (Storgards, 1964). También se ha propuesto la determinación de la viscosidad en función del tiempo que tarda una muestra de volumen conocido en fluir por un plano inclinado con o sin estrias, como por ejemplo el “plummet”,
pero quizá el método más
aceptado es el empleo de los viscosímetros rotatorios o de los aparatos de torsión. El sencillo funcionamiento del viscosímetro rotatorio, como por ejemplo el de Brookfiel Synchro-Lectric, hace de este una buena elección y, una vez determinado el tipo de eje y su velocidad de rotación para un producto dado, la comparación de lotes sucesivos presenta pocos problemas. Esta simplicidad hace razonable el intentar mantener la viscosidad del yogur batido dentro de ciertos límites, pudiendo estudiarse de modo semejante la viscosidad del yogur batido dentro de ciertos límites, pudiendo estudiarse de modo semejante la naturaleza física del yogur líquido. El destino de los lotes de yogur que no cumplan las especificaciones requeridas depende de la política de la compañía, pero en cualquier caso el control de este aspecto de la calidad del producto puede realizarse como prueba de rutina. (Tamine & Robinson, 1991).
1.1.14.2. Viscosidad del Yogur Tradicional
Debido a la estructura de gel de este tipo de yogur, el control del producto debe realizarse de modo diferente, ya que cualquier técnica que implique la rotura del coágulo es de escaso valor. El método de la caída de la esfera puede ser adaptado para este tipo de producto (Pette y Lolkema, 1951) pero la técnica más adecuada es la utilización de penetrómetros convencionales
la
única exigencia especial es el eje y el cono y en los ensayos descritos por Robinson y Tamine (1991) se utilizó un cono de plexiglas de 2,5 cm de diámetro con un ángulo apical de 100º para estudiar la consistencia de yogur tradicional en envase de 130 - 140 g. El cono, una vez colocado en el centro del envase cubría aproximadamente el 50% de la superficie del yogur, con lo que se minimizaban los “efectos de borde” debidos al rozamiento con las paredes de los envases. El peso del eje se elige en función del producto, por ejemplo, ligero (13,4g) para el control a 42ºC, inmediatamente después de la incubación y más pesado (47,4 g) para el control del coágulo firme de yogur tras el mantenimiento del mismo a 7ºC durante 24 horas. Estas variaciones del peso del eje son necesarias para poder distinguir, a una temperatura dada, entre muestras con distinta fuerza de los geles y la posibilidad de comparar los resultados obtenidos a 42ºC permite predecir la consistencia del producto final antes de la refrigeración de este.
Figura 3: Esquema de diversos dispositivos utilizados para examinar las características físicas del yogurt, donde: a)
EL PLUMMET diseñado por Hilker (1947) para la determinación del cuerpo de cremas fermentadas, puede ser también utilizado para el yogur.
b)
Esquema de un “viscosimetro de bolsa” utilizado para determinar la firmeza del yogur. La esfera de acero es ligeramente más pesada que el contrapeso, por lo que se hunde en el yogur. La distancia registrada en la escala es una medida de la resistencia del coágulo (Pette y Lolkeme, loc. cit).
c)
1.1.15.
Embudo de Posthumus. (Posthumus (loc. cit.).
VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS PROTEICOS (Cheftel et al. , 1989) El factor principal que influye en el comportamiento viscosimétrico de los fluidos proteicos, es el diámetro aparente de las moléculas o partículas dispersas. Este diámetro depende de los siguientes parámetros: 1.
Características intrínsecas de la molécula proteica, tales como masa, tamaño, volumen, estructura, asimetría molecular, cargas eléctricas, facilidad de deformación (algunos factores ambientales
tales como el pH, fuerza iónica o la temperatura pueden modificar las características debido al desdoblamiento de la molécula). 2.
Las interacciones proteína-disolvente, que influyen en la hinchazón, solubilidad y esfera de hidratación hidrodinámica que rodea la molécula.
3. Las interacciones proteína-proteína que determinan el tamaño de los agregados. Generalmente, los ingredientes proteicos se utilizan en
concentraciones
elevadas
en
las
que
predominan
las
interacciones proteína-proteína. El comportamiento “reofluidificante” puede explicarse por los siguientes fenómenos: 1. Orientación progresiva de las moléculas en la dirección de deslizamiento, reduciendo así la resistencia debida a las fuerzas de fricción. 2. Deformación de la esfera de hidratación que rodee la proteína en la dirección de deslizamiento (si la proteína está fuertemente hidratada y dispersa) y 3. Rotura de los enlaces hidrógenos y oros enlaces débiles, provocando así la disociación de los agregados o de la red proteica. En todos los casos, se reduce el diámetro aparente de las moléculas o partículas en la dirección de deslizamiento. La rotura de los enlaces débiles puede surgir lentamente de tal forma que algunas veces las fuerzas de cizallamiento y la viscosidad aparente (a velocidad de cizallamientos y temperaturas, constantes) de los fluidos proteicos decrece a lo largo del tiempo hasta que se alcanza un equilibrio. Cuando el cizallamiento se interrumpe, puede ser que los agregados o la red original se
reconstruyan o no. Si así ocurre, el descenso del coeficiente de viscosidad es reversible y el sistema se llama “tixotrópico”. Por ejemplo, son tixotrópicos las dispersiones de aislados proteicos de soja y los concentrados proteicos de lactosuero. El coeficiente de viscosidad de la mayoría de los fluidos proteicos aumenta exponencialmente con la concentración proteica a causa de las interacciones proteína-proteína. Estas interacciones también explican porque el comportamiento reofluidificantes es más acusado con concentraciones proteicas fuertes. Cuando las interacciones proteína-proteína están en número suficiente, como ocurre
en
las
pastas
o
geles
proteicos,
se
observa
un
comportamiento plástico viscoelástico y sólo se produce el deslizamiento del fluido por encima de un umbral de fuerza y cizallamiento que presupone la rotura de varias de estas interacciones. Las variaciones de pH, temperatura, fuerza iónica, así como la adición de iones Ca++, agentes oxidantes o reactivos que presuponen la rotura de enlaces hidrógeno o disulfuro, pueden modificar profundamente la viscosidad de las soluciones o de las dispersiones proteicas. Estas modificaciones dependen del tipo de proteína; no obstante, en medio alcalino, la viscosidad de la mayoría de las proteínas aumenta, porque las cargas eléctricas negativas presuponen un desdoblamiento y alargamiento máximos. Este fenómeno se aprovecha para la preparación de fibras de proteína de soja (“trefilado”). Corrientemente,
la
intervención
de
estos
distintos
factores
“externos” hace difícil comparar las características intrínsecas de viscosidad de las diversas preparaciones proteicas: es necesario que sean idénticas las medidas de viscosidad con diferentes
temperaturas, concentración proteica y velocidad de cizallamiento. Es aconsejable hacer las comparaciones con un mismo aparato. A causa del fenómeno de trisotropía hay que tener en cuenta el tiempo y también los cambios que pueden surgir entre grupos tiol y disulfuro surgidos al contacto con el aire ya que los equilibrios de viscosidad
no
se
alcanzan
instantáneamente.
Por
esto,
frecuentemente la “activación” de viscosidad (y solubilidad) de una proteína por alcalinización seguida de neutralización, es solamente temporal. La viscosidad y la consistencia son propiedades funcionales importantes en los sistemas proteicos de los alimentos líquidos, tales como bebidas, potajes, salsas y cremas. También tiene importancia práctica conocer las propiedades de deslizamiento de las dispersiones proteicas; para aprovechar mejor operaciones, tales como la absorción, mezcla, calentamiento, enfriamiento y secado por atomización que implican transferencias de materia y/o de calor. Como se desprende de las lineas precedentes, las correlaciones entre viscosidad y solubilidad, no son sencillas. Los polvos proteicos insolubles desnaturalizados por el calor no dan una viscosidad elevada cuando se introducen en un medio acuoso. Los polvos proteicos muy solubles dotados de una baja capacidad de absorción de agua y de hinchamiento, (proteínas de lactosuero) también presentan una viscosidad baja a pH neutro o a pH isoeléctrico. Los polvos proteicos solubles que manifiestan inicialmente una absorción elevada de agua (caseinato de sodio, ciertas preparaciones de proteínas de soja) tienen una viscosidad elevada. Por eso, en numerosas proteínas, se observa una correlación positiva entre la absorción de agua y viscosidad.
1.1.16.
FUNDAMENTOS DE REOLOGÍA. Fluido. – Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de una fuerza aplicada sobre él. El proceso de deformación continua se denomina fluidez. Un fluido es entonces una sustancia capaz de fluir. (Gerhart, et al., 1995).
Viscosidad.- Todos los fluidos poseen viscosidad y por tanto, cuando se les pone en movimiento, aparecen ciertos fenómenos de rozamiento. La viscosidad se debe fundamentalmente a la cohesión y transformación entre las moléculas de los fluidos, y a medida que tiene lugar el flujo, aparecen estos efectos como esfuerzos tangenciales o cortantes entre las capas del fluido en movimiento. Las observaciones muestran que la velocidad es nula en los limites (contacto con un sólido) y va aumentando a medida que aumenta la distancia a dicho limite. Estos hechos pueden representarse en el “diagrama de velocidad” o “perfil de velocidad”
que muestra el
movimiento relativo (así como la acción del rozamiento) entre dos capas adyacentes.
(a)
(b)
Figura N° 4: Variación de la velocidad del fluido
La velocidad de deformación se mide por medio del angulo dΦ, que se puede relacionar con la velocidad del fluido de la manera siguiente: Como el pedazo es pequeño, la velocidad en la parte superior respecto a la parte inferior es: (Gerhart, et al., 1995).
La distancia δ e que la parte superior se desplaza respecto a la inferior es :
como δφ es pequeño para un δt pequeño, se tiene que :
La velocidad de deformación por esfuerzo cortante es la velocidad de cambio de δφ , esto es:
Si el esfuerzo cortante ( τ ó σ ) en el fluido es proporcional a la velocidad de deformación, se puede escribir: σ
=
μ du dy
El coeficiente μ es la viscosidad, la ecuación anterior se conoce como ley de Newton de la viscosidad, debido a que
sir Isaac
Newton fue el primero en proponerla. A los fluidos que siguen esta ley particular se les denomina fluidos newtonianos y los que no se les denomina fluidos no – newtonianos. En general se a observado que las diferencias mecánica fundamental entre los newtonianos y los plásticos, es el mayor esfuerzo cortante que se requiere en los plásticos para mantener un gradiente de velocidad dado. (Gerhart, et al., 1995). La viscosidad proporciona una manera de cuantificar los adjetivos de espeso y fluido como se aplica sensorialmente a los líquidos. Los líquidos “espesos” tienen una alta viscosidad y no fluyen con facilidad; lo contrario es cierto para líquidos “fluidos”. La densidad de un fluido tiene muy poco que ver con lo “espeso”. El aceite de un motor generalmente se considera como un líquido “espeso”, en particular cuando está frío, pero es menos denso que el agua. (Muller, 1973). Un efecto asociado generalmente con la viscosidad de un fluido es la condición de no – deslizamiento. Cuando un fluido está en contacto con una superficie sólida, su velocidad en la superficie es igual a la velocidad de dicha superficie; esto es, el fluido “se pega”
a la superficie y no se desliza sobre ella. Cuando un fluido fluye sobre una superficie es como la que se ilustra en la figura N° 5. Siempre se presenta un gradiente de velocidad cerca de la superficie y de acuerdo con la ley de Newton de la viscosidad, el esfuerzo cortante siempre actúa sobre el fluido en esta región. Viscosidad Cinemática(ν).- El coeficiente de la viscosidad entre la densidad se denomina viscosidad cinematica o “stokes” .Las unidades son centímetro cuadrado por segundo ( cm2 / s ) en el sistema ingles ( pie2 / s) , también suele llamársele “ centistokes “ . 1Stoke = cm2 /s
ν
= μ ρ
Viscosidad Absoluta o Dinámica.- Este coeficiente tiene las dimensiones del esfuerzo :
-
1Poise = 100centipoise.
-
1 Poise = g /cm. s.
-
10 Poise = kg / m. s
-
10 poise = N.s / m2.
Esfuerzo de Corte.- Esfuerzo es la intensidad, es un punto dado de la superficie de un cuerpo, de las componentes de la fuerza que actúan sobre un plano a través de un punto determinado, por lo que se tienen esfuerzos de tensión, de compresión y de corte, dependiendo si las componentes son tangencialmente hacia fuera o adentro del plano sobre el cual actúan las componentes de la fuerza. El esfuerzo se expresa en unidades de fuerza por unidad de área. La aplicación de una fuerza es especialmente importante en alimentos líquidos y semilíquidos, ya que pueden caracterizarse al
flujo. La expresión matemática que define el esfuerzo de corte en términos de flujo está dada por la Ley de la viscosidad de Newton, donde se establece el flujo en una sola dirección, paralela al plano. Por lo anterior se considera necesario disponer de expresiones matemáticas
del
esfuerzo
de
corte
considerando
las
tres
direcciones en el espacio. (Gerhart, 1995). Gradiente de deformación (s-1) .- El esfuerzo de corte realizado sobre una sustancia, que está colocado entre dos placas, está relacionado con la velocidad relativa de la placa superior y a la distancia entre las placas. A una determinada velocidad de la placa superior, es mayor el trabajo a realizarse por unidad de material cuanto menor es la distancia entre placas. La medición específica de este trabajo por unidad de sustancia se denomina gradiente de deformación, y está definido matemáticamente como la relación de la velocidad relativa dividida por la distancia entre las placas. (Gerhart, 1995).
1.1.17.
REOLOGÍA EN ALIMENTOS •
Concepto y aplicaciones
La reología se define como la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia (Muller, 1973). La reología de los alimentos ha sido definida como "el estudio de la deformación y flujo de las materias primas sin procesar, los productos intermedios o semielaborados, y los productos finales de la industria alimentaria" (White, 1970). El conocimiento adecuado de las propiedades reológicas de los alimentos es muy importante por numerosas razones, entre las que destacan las aplicaciones que se detallan a continuación: •
Diseño de procesos y equipos en ingeniería
El conocimiento de las propiedades de comportamiento al flujo y de deformación de los alimentos son imprescindibles en el diseño y dimensionado de equipos tales como cintas transportadoras, tuberías, tanques de almacenamiento, pulverizadores o bombas para el manejo de alimentos (Odigboh & Mohsenin, 1975a, Boger & Tiu, 1974; Gorbatov & Gorbatov, 1974). Además, la viscosidad se utiliza para la estimación y cálculo de los fenómenos de transporte de cantidad de movimiento, calor y energía (Jiménez et al., 1987; Gekas, 1992; Saravacos ,1995).
•
Evaluación sensorial
Los datos reológicos pueden ser muy interesantes para modificar el proceso de elaboración o la formulación de un producto final de forma que los parámetros de textura del alimento se encuentren dentro del rango considerado deseable por los consumidores (Shama & Sherman, 1973; Rao et al., 1977 a, b; Kokini, 1985). •
Obtener información sobre la estructura del alimento
Los estudios reológicos pueden aportarnos información que facilite una mejor comprensión de la estructura o de la distribución de los componentes moleculares de los alimentos, especialmente de los componentes macromoleculares, así como para predecir los cambios estructurales durante los procesos de acondicionamiento y elaboración a los que son sometidos (Borwankar et al., 1992; Sherman, 1970). •
Control de calidad
Las medidas de la viscosidad en continuo son cada vez más importantes en muchas industrias alimentarias con objeto de controlar el buen funcionamiento del proceso productivo, así como
la calidad de las materias primas, productos intermedios y acabados. (Kramer & Twigg, 1970; Bourne, 1992). •
Reometria
Es la determinación experimental del comportamiento de flujo, que nos permite relacionar el esfuerzo de corte ( σ ), el gradiente de velocidad ( γ ) y la viscosidad aparente ( η ) de los fluidos. •
Reología en fluidos alimentarios
Los alimentos se presentan en una gran variedad de formas, tales como sólidos,líquidos y semilíquidos. Algunos alimentos, entre los que se encuentran los helados y las grasas, son sólidos a una temperatura
y
líquidos
a
otra.
Otros
son
suspensiones
(mermeladas, zumos y purés o cremogenados de frutas, o emulsiones como la leche. Debido a esta amplia variación en su estructura, el comportamiento al flujo de los alimentos fluidos presenta uan amplia gama de modelos que van desde el simple newtoniano a los no newtonianos, dependientes del tiempo y los viscoelásticos. El tamaño o volumen, la forma, la concentración y la interacción de las partículas son parámetros básicos que afectan a las propiedades reológicas de cualquier sistema, sea éste molecular, una suspensión, una dispersión, una pasta o un gel. Sin embargo, el rango de operación de cada uno de estos parámetros básicos es diferente para cada uno de los sistemas. De hecho, no son estos parámetros por sí mismos los que controlan las propiedades de flujo, sino las interacciones entre ellos (Rha, 1978). El comportamiento reológico de un fluido alimentario puede describirse según distintas ecuaciones que relacionan el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación. En la literatura existen
muchos modelos para describir este comportamiento, sin embargo son varios los autores (Kokini, 1992; Rha, 1978) que coinciden al afirmar que uno de los modelos más comúnmente usados y de aplicación general para ajustar los datos experimentales y expresar cuantitativamente el comportamiento al flujo de los fluidos inelásticos independientes del tiempo es el modelo propuesto por Herschel y Bulkley:
σ = σ0
+
κ γn
donde: σ = esfuerzo cortante σ0 = umbral de fluencia κ = índice de consistencia de flujo
γ = velocidad de deformación o gradiente de velocidad. n = índice de comportamiento al flujo Esta ecuación puede representar, dependiendo de los valores que tomen las constantes, comportamientos newtonianos, plásticos de Bingham, seudoplásticos y dilatantes. En la tabla 10 se muestra el comportamiento al flujo y algunos ejemplos de varios tipos de alimentos fluidos y semifluidos.
Tabla 10: Características de Flujo de Alimentos líquidos
•
Clasificación
de
los
alimentos
fluidos
según
su
comportamiento reológico Para una mayor comprensión de los problemas que se plantean en el estudio de las propiedades reológicas de los alimentos, se presenta a continuación una clasificación de los diversos alimentos fluidos más habituales según su comportamiento reológico. La bibliografía es abundante en lo referente a la clasificación de los fluidos alimentarios (Holdsworth, 1971; Muller, 1973; Rao, 1977b; Barbosa-Cánovas et al., 1993). De modo general, la mayoría de los autores, coinciden al hacer una primera clasificación entre alimentos
newtonianos
y
no
newtonianos,
según
su
comportamiento reológico siga o no la ley de Newton de la viscosidad.
Además,
existen
alimentos
en
los
que
su
comportamiento depende del tiempo de actuación del esfuerzo realizado sobre ellos. Finalmente, existe otro grupo de alimentos que se comportan como fluidos viscosos y sólidos elásticos a la vez, son los fluidos viscoelásticos.
Así, la clasificación de los fluidos alimentarios según su comportamiento reológico puede establecerse de la siguiente forma: - Fluidos newtonianos. - Fluidos no newtonianos. - Independientes del tiempo - Plásticos de Bingham - Seudoplásticos - Dilatantes - Dependientes del tiempo - Fluidos tixotrópicos - Fluidos reopécticos o reopexicos. - Fluidos viscoelásticos - Fluidos newtonianos.- Los fluidos newtonianos son llamados así después de que Isaac Newton describiera el flujo viscoso. El fluido newtoniano no posee propiedades elásticas, es incompresible, isotrópico y carente de estructura y, como el sólido de Hooke, no existe en la realidad. Sin embargo, muchos líquidos reales muestran un comportamiento newtoniano en un amplio rango de esfuerzos cortantes. Estos líquidos son a los que los reólogos se refieren como "líquidos newtonianos" (Muller, 1973). El comportamiento reológico de los fluidos ideales o newtonianos puede describirse mediante la ley de Newton de la viscosidad, que viene expresada por la ecuación:
τ = η. γ
ó
μ = σ / γ
que indica que cuando un fluido es sometido a un esfuerzo cortante, τ ó σ, existe una proporcionalidad directa entre al velocidad de deformación o gradiente de velocidad, γ, que sufre el
fluido
y
dicho
esfuerzo
cortante.
Esta
constante
de
proporcionalidad, η ó μ, es el llamado coeficiente de viscosidad, viscosidad dinámica o simplemente viscosidad (Charm, 1960). Los fluidos newtonianos por definición presentan una línea recta cuando se relaciona los esfuerzos cortantes y el gradiente de velocidad, con intercepto cero y pendiente igual a la viscosidad absoluta. En este tipo de fluidos la viscosidad sólo depende de la temperatura y composición, siendo independiente del tiempo, de la velocidad de deformación y de la historia previa del fluido (Rao, 1977b). Un número limitado de alimentos muestran características de flujo ideal, entre los que se encuentran algunos tan importantes fisiológicamente como el agua, nutritivamente como la leche y económicamente como las bebidas refrescantes. Son
muchos
los
autores
que,
como
resultado
de
sus
investigaciones, atribuyen un comportamiento casi newtoniano a gran número de alimentos fluidos. Como ejemplo de los más nombrados se pueden citar el agua y las disoluciones diluidas de azúcares (Perry & Chilton, 1982); las bebidas carbónicas, las bebidas alcohólicas (si no contienen moléculas de cadena larga), los extractos de carne; el jarabe de maíz (Rao, 1975) y ciertas mieles (Rao, 1977 a); algunos aceites ligeros de cocina y la leche cruda y homogeneizada (Steffe et al., 1986), el huevo y algunos de sus derivados (Scalzo et al., 1970). En la bibliografía, son también muy numerosas las citas que consideran el comportamiento
newtoniano
de
los
zumos
clarificados
y
despectinizados de diversas frutas en un rango amplio de temperaturas y concentraciones de sólidos solubles (Saravacos,
1970; Rao et al., 1984; Schwartz y Costell, 1989; Ibarz et al., 1992; Khalil et al., 1989).
-
Fluidos no newtonianos .-
Son aquellos fluidos que no cumplen la ley de Newton de la viscosidad, por lo tanto, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación deja de ser lineal. Estos fluidos se caracterizan porque su viscosidad no permanece constante cuando la temperatura y la composición permanecen invariables, sino que depende del esfuerzo cortante o gradiente de velocidad y, a veces, del tiempo de aplicación del esfuerzo y de la historia previa del producto o muestra. Ello es debido a que la constitución física varía al someter el producto a los efectos de rozamiento a lo largo del tiempo. Dado que en este tipo de fluidos la viscosidad no permanece constante, se define la viscosidad aparente, ηa, (Jiménez et al., 1987) como la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación correspondiente:
ηa = σ
(Relación no constante)
γ
-
Viscosidad Aparente
Fluidos independientes del tiempo.-
Los fluidos independientes del tiempo se han clasificado en tres categorías o grupos: plásticos, seudoplásticos y dilatantes, y se caracterizan por que la viscosidad aparente sólo depende de la temperatura, de la composición del fluido y del esfuerzo cortante o gradiente de velocidad aplicado, pero nunca del tiempo de aplicación de éste último.
-
Fluidos plásticos.-
Los fluidos plásticos son aquellos que no fluyen hasta que son sometidos a un esfuerzo cortante límite determinado, llamado esfuerzo de deformación plástica, umbral de fluencia o límite de fluencia, σ0. En el caso de los fluidos plásticos de Bingham, una vez que se supera el valor del umbral de fluencia, la velocidad de deformación es proporcional al esfuerzo, como en el caso de los fluidos newtonianos (van Wazer et al., 1963). Estos fluidos exhiben propiedades de líquido a esfuerzos superiores al umbral de fluencia por lo tanto pueden ser clasificados tanto como líquidos como sólidos. El producto plástico ideal es el descrito por el modelo de Bingham:
σ = σ0 + η γ n donde : σ0 es el umbral de fluencia y η es la viscosidad plástica. Según Rha (1978), el umbral de fluencia puede ser consecuencia de un entrelazado de moléculas o partículas debido a su gran tamaño, ramificaciones o forma irregular. También puede ser debida a la formación de redes provocadas por las interacciones entre moléculas o entre los alimentos típicamente plásticos se encuentran el puré de patata y la nata batida, el chocolate fundido y algunas grasas como margarinas y mantequillas (Muller, 1973), salsa de tomate, mayonesa, clara de huevo batida,salsa de mostaza y pure de patatas. El modelo de Bingham ha sido también utilizado por algunos autores para describir el comportamiento reológico de pastas de fécula de mandioca (Odigboh & Mohsenin, 1975b), suero de puré de albaricoque a gradientes de deformación bajos (Costell et al.,
1982), de geles de pectina (Fiszman et al., 1984) y de algunos zumos naturales de manzana (Ibarz & Casero, 1987).
-
Los fluidos seudoplásticos.-
Se caracterizan porque su viscosidad aparente decrece cuando aumenta
el
gradiente
de
velocidad
de
deformación.
Este
comportamiento indica una ruptura o reorganización continua de la estructura, dando como resultado una menor resistencia al flujo, y es debido a la presencia de sustancias de alto peso molecular así como a la dispersión de sólidos en la fase sólida. De los modelos utilizados para describir el comportamiento reológico de los fluidos
seudoplásticos,
el
más
conocido
y
simple de aplicar es el de Ostwald-De Waale, también conocido como ley de la potencia (Sherman, 1970):
σ = K γn donde: K; es el índice de consistencia de flujo y n; es el índice de comportamiento al flujo menor que 1 (0 < n < 1 ). K da una idea de la
consistencia
del
producto
y
n
de
comportamiento al flujo respecto al newtoniano
la
desviación
del
(Carbonell et
al., 1990). Al dividir la ecuación anterior (ley de potencia) entre la relación del gradiente de velocidad de deformación (γ ), se obtiene la ecuación que gobierna la viscosidad aparente en fluidos pseudoplásticos:
ηa = κ γ ( n – 1 )
Esta ecuación es una de las más utilizadas para describir el flujo de los derivados de fruta que se comportan como seudoplásticos. El comportamiento seudoplástico es, quizá, el más frecuente en los fluidos alimentarios. En general, se comportan de esta forma muchos derivados de frutas y vegetales como algunos zumos y purés
de
frutas
(Saravacos,
1970),
derivados
del
tomate
(Tanglertpaibul y Rao, 1987), confituras de fruta (Costell et al., 1986); productos lácteos como la nata (Prentice, 1984) o la leche azucarada condensada (Higgs & Norrington, 1971); algunas sopas y salsas (Wood, 1968); la clara de huevo (Tung et al., 1970); la yema del huevo (Ibarz & Sintes, 1989; Ibarz, 1993); el ketchup y la mostaza francesa (Higgs & Norrington, 1971) y pure de papas.
-
Fluidos dilatantes.-
La principal característica de este tipo de fluidos es que al aumentar la velocidad de deformación aumenta la viscosidad aparente. La dilatancía puede explicarse entendiendo que cuando las velocidades de deformación son bajas las partículas sólidas de formas y tamaños variados, están ceñidas y estrechamente empaquetadas y la fracción líquida está llenando los huecos y lubricando el movimiento, por lo que la viscosidad aparente es baja. Con el aumento de la velocidad de deformación, las partículas largas
y
flexibles
pueden
estirarse
rompiéndose
el
empaquetamiento de los sólidos y la fracción de huecos entre las partículas aumenta, no habiendo suficiente líquido para lubricar el roce de unas partículas contra otras, aumentando por ello la viscosidad aparente.
La dilatancia es evidencia de una formación o reorganización de la estructura de la muestra, dando como resultado un aumento en la resistencia al aplicar una fuerza (Rha,1978). Los modelos reológicos que se utilizan para describir este comportamiento son los mismos que los aplicados para describir el comportamiento pseudoplástico, que se ha expuesto en el apartado anterior. Pero con n mayor que 1
(1 < n < ∞ ). Existen pocos alimentos que presenten esta característica, entre ellos tenemos aquellos que forman suspensiones concentradas o pastas acuosas. Algunos ejemplos son ciertos tipos de mieles de eucalipto (Pryce-Jones, 1953), soluciones al 40% de almidon crudo. -
Fluidos no newtonianos dependientes del tiempo.-
Son aquellos fluidos en los que la viscosidad aparente depende, además de la velocidad de deformación, del tiempo de actuación de dicha velocidad. Los alimentos no newtonianos con propiedades dependientes del tiempo se subdividen en fluidos tixotrópicos y reopécticos. Para los primeros, a una velocidad de deformación fija, la viscosidad disminuye con el tiempo de cizallado; para los últimos, la viscosidad aumenta con el tiempo (Rao, 1977 b; Barbosa-Cánovas, et al., 1993).
-
Fluidos tixotrópicos.-
Se consideran fluidos tixotrópicos a todos aquellos que al aplicarles una velocidad de deformación constante, muestran una disminución
del esfuerzo cortante y de la viscosidad aparente con el tiempo. Esto es debido al cambio continuo de la estructura del material, que puede ser en cualquier caso reversible o irreversible. La tixotropía indica una continua ruptura o reorganización de la estructura dando como resultado una disminución de la resistencia al flujo (Rha, 1978). Todas las definiciones de tixotropía incluyen el concepto de recuperación estructural. Sin embargo, muchos alimentos tienen un comportamiento al flujo dependiente del tiempo pero su periodo de recuperación es muy largo o su estructura sólo es parcialmente recuperable. Por ello es más adecuado utilizar los términos "dependencia del tiempo en el flujo" o "destrucción estructural" para definir este tipo de comportamiento
(Gallegos et al,. 1988).
Se han utilizado distintos modelos matemáticos para cuantificar la dependencia del tiempo de los alimentos. A continuación se describen los más importantes.
- Modelo de WELTMANN (1943) La expresión matemática propuesta por Weltmann :
σ = σ0 - B ln t Relaciona la viscosidad plástica con el tiempo de aplicación de un determinado gradiente de velocidad a través del coeficiente temporal de ruptura tixotrópica (B), el cual representa, en cierta manera, la cantidad de estructura que se degrada durante el cizallamiento. El parámetro
σ0 indica la tensión tangencial
necesaria para que comience a degradarse la estructura que origina la tixotropía.
- Modelo de TIU y BOGER (1974) Este
modelo
permite
caracterizar
de
forma
completa
el
comportamiento reológico de materiales cuyo comportamiento se podría definir como plástico, pseudoplástico y dependiente del tiempo (Carbonell et al,. 1990): σ = k (σ0 + K γn) este modelo asume que el parámetro estructural k varía con el tiempo según una ecuación cinética de segundo orden, válida para k > ke: dk ------ = Kt (k - ke)2 dt En la que la constante Kt es una constante de velocidad que es función de la velocidad de deformación y debe ser determinada experimentalmente. . El comportamiento tixotrópico ha sido encontrado en varios alimentos. Además de la clara de huevo, el zumo de tomate, los aderezos de ensalada y el puré de albaricoque, también se ha observado este comportamiento en leche condensada, mayonesa (Xu et al., 1984; Ford & Steffe, 1986; Gallegos et al., 1988), algunos quesos blandos (Massaguer-Roig et al., 1984) y miel. Entre otras muchas investigaciones realizadas en alimentos cabe, también, destacar las que llevaron a cabo Kokini y Dickie (1981), quienes observaron dependencia con el tiempo cuando estudiaron el
comportamiento reológico de muestras de mayonesa, mantequilla, margarina, puré de manzana, ketchup y mostaza.
-
Fluidos reopépticos
Los fluidos reopécticos tienen un comportamiento al flujo contrario a los tixotrópicos, es decir, la viscosidad aparente aumenta con el tiempo en que la muestra es sometida a un determinado gradiente de velocidad, lo que les confiere una cierta semejanza con los fluidos dilatantes en el sentido de que la única diferencia es si el tiempo para la destrucción o formación de estructura es detectable o no. El modelo reológico aplicable a estos fluidos es el de la ley de la potencia, siendo el valor del índice de comportamiento al flujo mayor que la unidad. Al igual que con los otros tipos de fluidos, para este tipo de alimentos se pueden aplicar otros modelos distintos con mayor o menor éxito. Finalmente
indicar
que,
aunque
se
ha
observado
un
comportamiento reopéptico en algunos alimentos como ciertas mieles de eucalipto, este tipo de fluidos son muy poco frecuentes en el campo de la alimentación.
-
Fluidos no newtonianos viscoelásticos
Las características de los productos viscoelásticos varían desde las de los líquidos viscosos con propiedades elásticas (modelo de Maxwell) a las de los sólidos con propiedades viscosas (modelo de Kelvin-Voigt). En condiciones normales, no es apreciable la
elasticidad debida al estiramiento de los enlaces interatómicos y se puede afirmar que la elasticidad de los alimentos viscoelásticos es debida a la deformación elástica de las macromoléculas. En los alimentos viscoelásticos es frecuente que sólo se dé una recuperación parcial, porque la red tridimensional elástica se desintegra bajo el efecto de la tensión (Muller, 1973). Una forma de caracterizar estos fluidos es estudiando la evolución del esfuerzo cortante con el tiempo a una velocidad de deformación fija pudiéndose realizar un análisis comparativo de las diferentes muestras a partir de las curvas obtenidas (Barbosa-Cánovas et al., 1993). Existen diversos modelos matemáticos que permiten explicar el comportamiento de los fluidos viscoelásticos. El más simple de todos ellos puede obtenerse combinando un sólido de Hooke con un fluido de Newton, lo que lleva al conocido modelo de Maxwell :
σ+λσ=ηγ donde: λ es el tiempo de relajación definido como la relación entre la viscosidad newtoniana (η) y el módulo de elasticidad (G). Este modelo resulta ser excesivamente simple, por lo que tiene el defecto de ser demasiado restringido ya que solamente puede ser aplicado cuando el comportamiento viscoelástico es lineal y, por lo tanto, no es adecuado cuando lo que se pretende representar es un comportamiento no lineal como el observado en los materiales reales. Es por esto, que son necesarias expresiones más complicadas
que
modelicen
de
forma
más
apropiada
los
comportamientos viscoelásticos no lineales (Kokini, 1992). El modelo de Bird-Carreau es uno de ellos, y está basado en la teoría
constitutiva de Carreau que incorpora la historia completa de deformación del material. Existen varios alimentos que presentan propiedades viscoelásticas. Se trata, en general, de productos con características de geles o semisólidos como los geles de almidóngelatina y los de leche, los helados, las manzanas, los fideos cocidos, el queso, la masa de harina de trigo, las espumas de proteína y los granos de maíz y trigo (Muller, 1973). También presentan propiedades viscoelásticas la crema de leche y la mantequilla batida (Rao, 1986).
1.1.18.
FACTORES
QUE
INFLUYEN
EN
EL
COMPORTAMIENTO
REOLOGICO Y REOMETRIA. •
Factores que influyen en el comportamiento reológico
Existen muchos factores que influyen en el comportamiento reológico de los alimentos como son la presión, la estructura del alimento, el gradiente de velocidad o velocidad de deformación y el tiempo de tratamiento de la muestra. Pero son, quizás, la temperatura de tratamiento y la concentración del alimento los más importantes y los que más se han estudiado. •
Efecto de la temperatura
Hasta el momento en que son consumidos, los alimentos están sometidos continuamente a cambios de temperatura. Empezando por el proceso de elaboración y pasando por los periodos de transporte y almacenamiento las condiciones de temperatura a que son sometidos los alimentos pueden variar notablemente. Por este motivo es muy importante conocer sus propiedades reológicas en función de la temperatura. Son muchos los autores que en sus investigaciones correlacionan el efecto que la temperatura ejerce sobre la viscosidad mediante
una ecuación de tipo Arrhenius (Vitali & Rao, 1982; Cryall et al., 1982; Rao et al., 1984; Manohar et al., 1991; Ibarz et al., 1992). Para los fluidos newtonianos, la expresión que correlaciona la viscosidad con la temperatura es:
η = κ0 exp (Ea / RT) donde κ0 es el factor de frecuencia, Ea es la energía de activación de flujo, R es la constante universal de los gases perfectos y T es la temperatura absoluta. En el caso de los fluidos no newtonianos en lugar de la viscosidad se correlaciona la viscosidad aparente a una velocidad de deformación fijada (Vitali, et al., 1974; Rao et al., 1984; Moresi & Spinosi, 1984):
ηa = η∞ exp (Ea /RT) siendo ηa la viscosidad aparente y η∞ una constante denominada viscosidad de deformación infinita. En el caso de fluidos que obedecen el modelo de la ley de la potencia y de Herschel- Bulkley, el efecto de la temperatura puede correlacionarse mediante un modelo combinado de la ecuación de Arrhenius para el índice de consistencia (Harper & El-Sahrigi, 1965; Vitali y Rao, 1984):
σ = κ exp (Ea / RT) γn Donde : n es un valor promedio de los índice de comportamiento de todas las temperaturas estudiadas.
η
a
= kT EXP (Ea / RT) . γ
(n –1)
Esta ecuación ha sido utilizada en concentrados de tomate (Harper & El-Sahrigi, 1965; Rao et al., 1981), cremogenado de pera (Harper & Lebermann, 1962), puré de guayaba (Vitali & Rao, 1982) y concentrados de frambuesa (Ibarz & Pagán, 1987). En líneas generales puede decirse que la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, y lo mismo ocurre con el índice de consistencia y el umbral de fluencia. Ibarz et al., (1995), al estudiar el comportamiento reológico de zumos concentrados de kiwi (55,7 y 63 ºBrix), establecen una relación de tipo lineal entre el índice de consistencia y la temperatura, que se concreta en la siguiente expresión:
σ0 = a - bT Donde σ0 es el umbral de fluencia, a y b son constantes y T es la temperatura en Kelvin. La variación de la temperatura no suele afectar al índice de comportamiento al flujo (Sáenz & Costell, 1986) aunque algunos autores afirman que aumenta con la temperatura (Ibarz & Pagán, 1987). •
Efecto de la concentración
Se han descrito dos tipos de correlaciones o modelos matemáticos para considerar el efecto de la concentración en la viscosidad (Harper & El-Sahrigi, 1965; Saravacos, 1970; Rao et al., 1984), una según un modelo potencial:
η = K1 C A1
y otra según un modelo exponencial:
η = K2 EXP (A2C) En estas ecuaciones K1, K2, A1 y A2 son constantes y C es el contenido en sólidos solubles del fluido expresado en ºBrix. Estas ecuaciones también son válidas para estudiar el efecto de la concentración en el índice de consistencia. El modelo potencial da resultados satisfactorios en purés de frutas y hortalizas altamente viscosos (Rao et al., 1981; Vitali & Rao, 1982). Sin embargo, los mismos autores encontraron que para zumos de fruta concentrados el modelo exponencial proporcionaba mejores ajustes. Esto último ha sido confirmado por otros autores que han estudiado la reología de zumos clarificados de diversas frutas (Ibarz et al.,1989; Ibarz & Ortiz, 1993; Schwartz & Costell, 1989). Normalmente, un aumento de la concentración comporta un incremento de la viscosidad o del índice de consistencia. También puede afectar a otros parámetros como el umbral de fluencia, que si bien tiende a aumentar con la concentración a veces se ha descrito el efecto contrario (Ibarz et al., 1991). Por lo que respecta al índice de comportamiento al flujo, un aumento de la concentración o bien no le afecta (Sáenz & Costell, 1986) o bien hace que disminuya (Mizrahi & Berk, 1972). •
Medidas en reología
Basándose en la clasificación de los instrumentos para el estudio de la textura hecha por Scott-Blair (1958), Rao (1986) clasificó los instrumentos para el estudio de las propiedades de flujo de los alimentos en tres categorías según métodos en los que se utilizan:
-
Métodos fundamentales: Miden propiedades físicas bien definidas utilizando geometrías que son fáciles de analizar matemáticamente.
-
Métodos empíricos: Miden parámetros que no están claramente definidos, pero que la experiencia ha demostrado que son útiles. Algunos instrumentos como los consistómetros Adams y Bostwick, y el viscosímetro de flujo de tubo, han sido utilizados para caracterizar cremogenados de frutas y vegetales, papillas infantiles (baby foods), y alimentos de tipo puré. Los métodos empíricos se usan en el control de calidad de estos productos y en estudios relacionados con los efectos de los cambios de las condiciones de procesado en la consistencia de los purés (Rao, 1986). También se incluirían en este grupo los viscosímetros rotacionales que utilizan geometrías de difícil análisis matemático, como husos con agujas o aletas, con las cuales se obtiene, para fluidos no newtonianos, una magnitud de viscosidad aparente en unidades arbitrarias.
-
Métodos
imitativos:
estos
aparatos
miden
las
propiedades en condiciones que simulan las que se dan en
la
práctica.
Estos
aparatos
son
utilizados
principalmente en alimentos sólidos. - Métodos fundamentales: Varios instrumentos se han empleado para medir las propiedades de flujo mediante métodos fundamentales. Éstos pueden ser clasificados en función de la geometría específica empleada: capilar,
cilindros concéntricos, plato y cono y platos paralelos. Para todas la geometrías se deben cumplir tres requisitos: que el fluido tenga flujo laminar, que la operación sea isoterma y que no exista deslizamiento en la interfase sólido fluido. •
Instrumentos de Medición: - Viscosímetros capilares Se basa en el hecho de que cuando un fluido fluye a través de un tubo forma un gradiente de velocidad y se induce un cizallamiento. El fluido puede fluir por acción de la gravedad o por efecto de un presión dada. Si se conocen el caudal volumétrico, las dimensiones del tubo y la presión aplicada se pueden construir las curvas de fluidez y calcular los valores aparentes de la viscosidad (Barbosa-Cánovas et al., 1993). Estos aparatos han sido utilizados por algunos autores para estudiar las propiedades reológicas de algunos zumos y purés de fruta (Saravacos, 1968: Rao et al., 1974; Vitali y Rao, 1982).
-
Viscosímetros Plato-Cono y Plato-Plato
Es un tipo de viscosímetro rotacional que consta que un plato circular plano y de un cono (plato-cono) u otro plato plano (plato-plato o platos paralelos). El ángulo del cono es de 3º o menor pare evitar distorsiones en los resultados debido al efecto borde. Las ecuaciones que permiten calcular la velocidad de deformación y el esfuerzo cortante han sido deducidas por Brodkey (1967) para el caso de plato-cono y por Walters (1975) para platos paralelos.
- Viscosímetro de cilindros concéntricos Consta de un vaso de medición cilíndrico (de radio Ra) que contiene en su interior un cilindro (de radio Ri) de forma que el fluido queda atrapado en la corona anular que dejan el vaso y el cilindro interior. Durante la operación de medida, el cilindro interior o el vaso giran a una velocidad constante, mientras el otro permanece fijo. En estas condiciones el par transmitido por el elemento móvil hacia el fijo, a través del fluido, será constante. Para poder obtener las ecuaciones fundamentales con este tipo de viscosímetros, además de los requisitos mencionados anteriormente, deben hacerse una serie de suposiciones adicionales (Rao, 1986): - El flujo es estacionario. - No existen componentes radiales ni axiales de la velocidad. - No existe distorsión del campo de flujo por el efecto borde de los cilindros. Si es el vaso de medición el que gira, permaneciendo el cilindro interior fijo, se denomina sistema Couette, mientras que si es al revés, es decir, el cilindro interior gira y el vaso permanece fijo se denomina sistema Searle. La transición de flujo laminar a turbulento ocurre a velocidades de giro más elevadas en el sistema Couette que en el Searle. Si la corona anular es estrecha se imposibilita el estudio de alimentos que contienen partículas sólidas grandes como es el caso de los purés y pulpas de fruta (Rao, 1975).
El instrumento mide el par de torsión requerido para mantener el movimiento giratorio del fluido a velocidad angular constante. El aparato o equipo donde el cilindro exterior gira (Couette) a velocidad angular constante, y la caída giratoria del cilindro interior efectuada en su forma más sencilla sobre un resorte o mejor sobre un censor) resulta una medida del torque o momento.. En el aparato donde el cilindro interno se hace girar por medio de un mecanismo
(un motor), el tiempo
necesario para un numero fijo de revoluciones o velocidad angular, resulta una medida de la viscosidad.
CAPITULO II.- METODOLOGÍA 2.1.
Método Empleado Se realizará una investigación de corte experimental de dos factores (temperatura de fermentación y concentración de inóculo, con tres subniveles respectivamente) y de efectos fijos, para ello se elaborará un yogurt aflanado usando la técnica descrita por la norma técnica peruana. Se procesarán los datos obtenidos basándose en el análisis estadístico de los datos observados.
2.2
Hipótesis Central La estabilidad del coágulo formado por fermentación ácido láctica sé vera influenciado por la temperatura y la concentración del cultivo iniciador, determinando una cinética de la acidificación, que resuelve la formación del coágulo en la elaboración del yogurt aflanado. Esta característica podrá ser evaluada determinando los valores de viscosidad y grado de sinéresis para cada combinación de temperaturas y concentraciónes de cultivo iniciador ensayado. Se conseguirá estabilizar e incrementar la viscosidad del coágulo formado en la fermentación láctica con la adición de una mezcla de ingredientes funcionales.
La optimización de esta mezcla de
ingredientes, se traduce en mayor viscosidad y menor grado de sinéresis. Descripción del Proceso de Elaboración Metodología experimental para obtener yogurt aflanado, para ello elaboraremos el yogurt en un equipo experimental que consta de los siguientes dispositivos:
Un baño maría de acero inoxidable para realizar la operación de pasteurización.
Tres balones o matraces de vidrio de un litro de capacidad donde se llevará a cabo la operación de fermentación.
Un baño maria con termorregulador que fijará la temperatura programada para la fermentación. Además se controlará la temperatura de la fermentación con un termómetro digital, sumergido en una muestra en blanco depositada en el baño maria.
Para elaborar experimentalmente el yogurt aflanado se desarrollo el siguiente diagrama de flujo de operaciones: Figura 6: Diagrama experimental de flujo de operaciones
En la operación de fermentación se registraran los datos de pH para las diferentes temperaturas y concentraciones de cultivo iniciador consideradas en el ensayo, hasta llegar al valor de pH correspondiente a 4,8. Cuando se tenga que ensayar la estabilización y la viscosidad del coágulo por la adición de ingredientes funcionales a diferentes
concentraciones, estos se adicionarán en la operación de pasteurización. Para evaluar la perdida de la calidad se relizará en la operación final (Almacenamiento) del proceso en mención, considerando la temperatura de almacenamiento a 15°C.
2.3.
Métodos de Análisis •
Análisis Físico Químico
-
pH
-
Densidad.- Densidad aparente método de los cilindros.
-
Viscosidad.- viscosidad aparente, viscosímetro rotacional.
-
Grado de Sinéresis.- Método de desuerado, por centrifugación.
•
Análisis Sensorial
Se realiza una prueba sensorial de escala Hedónica del producto final.
2.4.
Tipo de Investigación Se circunscribe a la disciplina de las ciencias aplicadas y que para el caso de nuestra investigación se refiere a la tecnología de los Alimentos. Donde se medira el efecto de los tratamientos sobre nuestra muestra motivo del ensayo.
2.5.
Población La producción mensual de yogurt aflanado villarrealino que asciende a 450 l/mes.
2.6.
Muestras Se toma en función de las cantidades requeridas y factibles para realizar los ensayos motivo de investigación.
Basado en el modelo del diseño experimental de efecto fijo tipo I.
2.7.
2.8.
Variables de Estudio •
Variable Independientes (regresoras o explicativas )
-
Concentración de Cultivo iniciador (%)
-
Temperatura (ºC)
-
Tiempo ( horas)
-
Concentración del ingrediente funcional (%)
•
Variables Dependientes ( respuesta )
-
pH
-
Viscosidad
-
Grado de Sinéresis
-
Grado de satisfacción
Diseño de la Investigación (Recolección de Datos y Técnicas de Procesamiento) Se basa en cálculos y determinaciones físico químicas del efecto que producen los tratamientos en ensayo para el procesamiento de los datos se usará el cálculo diferencial y el análisis estadístico de la varianza. Los datos serán procesados con los sofward estadísticos como el SPSS, el Statistic y el Minitab.
2.8.1.
Preparación de la muestra •
La leche: Se prepara una leche reconstituida, con leche en polvo instantánea con 14% de extracto seco y pasteurizado a 90 °C por 2 segundos.
•
El cultivo iniciador: Se prepara un cultivo iniciador (para yogurt aflanado), con un cultivo superconcentrado liofilizado, la relación de las cepas es de 9:1 de Streptococcus thermophilus y lactobacillus bulgaricus incubados a 42°C durante 4 horas.
•
La Mezcla de ingredientes funcionales: Se prepara una mezcla
de
ingredientes
funcionales
establecidas de: goma arabiga,
de
cantidades
pre-
pectina de bajo metoxilo y
colágeno, la cual se adicionara en el yogurt producido con los parámetros óptimos de la fermentación (% cultivo iniciador y temperatura) en cantidades variables, durante la operación de pasteurización.
2.8.2.
Cinética de Acificación.Para determinar el incremento de la acidez o variación de iones hidronio en la operación de fermentación, se realizará el siguiente procedimiento: 1°
Llevar a fermentar la leche pasteurizada y enfriada a las siguientes temperaturas de trabajo 39ºC, 41ºC y 43ºC.
2°
Con cada temperatura de trabajo realizar la fermentación por cada concentración de inoculo
o cultivo iniciador
,1%, 2% y 3%, hasta la formación física del coagulo o hasta un pH final de 4,7. 3°
Registrar los datos de la siguiente manera: Para
una
temperatura
de
fermentación
de
39ºC
registramos el pH y la acidez titulable expresada en ácido láctico en intervalos de tiempos de 15 min.
TEMPERATURA DE FERMENTACIÓN 39°C Cultivo = 1%
Cultivo = 2%
Cultivo = 3%
tiempo(h) Acidez
tiempo(h) Acidez
tiempo(h) Acidez
X11
Y11
X11
Y11
X11
Y11
X12
Y12
X12
Y12
X12
Y12
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
X1J
Y1J
X1J
Y1J
X1J
Y1J
Donde: •
X1 j : Cualquier valor de la variable regresora en horas
•
Y1 j : Cualquier valor de la variable de respuesta acidez.
De igual forma o metodología para las otras temperaturas de fermentación 41ºC y 43ºC. 4º
Luego realizar el análisis de regresión y encontrar el modelo matemático empírico (ajuste lineal o regresión polinómica), de la operación de fermentación para cada temperatura y concentración de inoculo o cultivo iniciador considerado en el ensayo.
pH = F ( t ) 5º
Determinar la primera derivada de la mejor correlación encontrada para las fermentaciones. Para determinar la cinética de la acidificación.
F(t) = μ pH / h
2.8.3.
Estabilidad
y
Viscosidad
del
Coágulo
formado
en
la
Fermentación
2.8.3.1
Viscosidad VNE.- Para establecer los parámetros óptimos de concentración
de
cultivo
iniciador
y
de
fermentación, se determinará en función de
temperatura
de
VNE (viscosidad
newtoniana equivalente); Y
2.8.3.2
Grado de Sinéresis.- Se determinará también la estabilidad del coágulo formado midiendo el grado de sinéresis o porcentaje de desuerado tras la centrifugación.
“La combinación de temperatura y concentración de cultivo iniciador que produzca la más alta viscosidad y menor grado de sinéresis correspondera a los parámetros ptimos de la operación de fermentación en nuestra investigación”.
2.8.4 Viscosidad VNE del Yogurt Aflanado en Función del Agregado de Concentraciones Variables de Ingredientes Funcional. Se evalúo la viscosidad VNE del yogurt aflanado en función del agregado o adición de concentraciones variables de una mezcla de ingredientes funcionales (una mezcla de pectina de bajo metóxilo, goma arábiga y colágeno). •
Regresión viscosidad aparente sobre concentraciones de la mezcla de ingredientes funcionales
Se realiza un análisis de regresión para las variables regresoras (% de ingredientes funcional y la variable de respuesta VNE), lineal, modelización lineal y hasta polinomica; Que nos permita encontrar
la mejor relación empírica en función de su coeficiente de determinación o coeficiente de correlación. La viscosidad se determinará a 10ºC usando un viscosímetro Brookfield.
Viscosidad = F (Variación del Ingrediente Funcional). La relación matemática empírica será contrastada mediante el análisis de la variancia de la regresión. La relación nos permitirá pronosticar que concentración de la mezcla de ingredientes funcionales produce la más alta viscosidad. •
Sinéresis del Yogurt Aflanado en función del Agregado de Concentraciones Variables de una Mezcla de Ingredientes Funcional.
El grado de sinéresis del yogurt aflanado se determiná por centrifugación. El yogurt se elaborará con los parámetros óptimos de la fermentación (concentración óptima de cultivo iniciador y Tº óptima de la fermentación), en los tubos centrífugos graduados de 15ml. Adicionando para cada fermentación cantidades variables de mezcla de ingredientes funcionales. Luego se llevan a centrifugación con una fuerza centrífuga aplicada de 30Fg (treinta veces la fuerza gravitatoria) por el tiempo de 10 minutos. •
Análisis
de
concentración funcionales.
Regresión variable
Grado de
de
mezcla
Sinéresis de
sobre
ingredientes
Se realizá una tabla donde se registrará el porcentaje de suero liberado después de la centrifugación para cada concentración de la mezcla de ingredientes funcionales considerada a evaluar en la investigación (0,00%, 0,20%, 0,40%, 0,60%, 0,80%, 1.0%) Se realizá el análisis de regresión de la variable de respuesta (% de suero) y la variable regresorá (% CC de la mezcla de ingredientes funcionales) o independiente. Viscosidad
Concentración de
Aparente (Pa)
Ingredientes (%)
Y11
0.00
Y12
0.20
Y13
0.40
Y14
0.60
Y15
0.80
Y16
1.00
Tanto para la modelización lineal hasta la regresión polinomica; que nos permita encontrar la mejor relación empírica en función del coeficiente de determinación o coeficiente de correlación.
V (%suero) = F (%Cc de Mezcla de ingredientes funcionales) La mejor relación matemática empírica será contrastada mediante el análisis de la variancia de la regresión. La relación nos permite pronosticar
que concentración de la
mezcla de ingredientes funcionales evita en mayor grado del desuerado.
2.8.5.
Reometría del Yogurt Aflanado
Con los parámetros óptimos determinados en la investigación de:
-
Cantidad de cultivo iniciador (% P/V)
-
Temperatura de fermentación (ºC)
-
Cantidad de ingredientes funcionales ó estabilizantes (%P/V).
Se procede a caracterizar reometricamente el yogurt aflanado, con el uso de un viscosimetro rotacionall Broockfield realizando la reometría, relacionando para ello, los valores obtenidos de esfuerzo constante (σ) y gradiente de velocidad (γ) mediante la relación de Herschel Bukley. σ = σ0 + Κ γn ó ηa = σ + Κγn-1 Donde:
-
σ = Esfuerzo cortante
-
σ0 = Umbral de f luencia.
-
Κ = Indice de consistencia
-
ηa = Viscosidad aparente
-
γ = Velocidad de formación o gradiente de velocidad.
-
n = Indice de comportamiento al flujo, (desviación al compartamiento newtoniano).
Efecto de la temperatura sobre la viscosidad se prepara el modelo predictivo, que combina para el efecto de la temperatura, la ecuación de Arrehnius para el indice de consistencia. Para el umbral de fluencia (σ0) se relaciona: σ0 = a – bT donde: a y b : Son constantes del análisis de regresión lineal. σ0 : Umbral de fluencia. T : Temperatura en grados Kelvin. ηa = K exp. (Ea/RT) γ(n-1) Donde:
θ
= Esfuerzo contato
ηa = Viscosidad aparente. Κ
= Indice de consistencia
Ea = Energía de Activación. R = Constante universal de los gases ideales. T
2.8.6.
= Temperatura absoluta (ºK).
Pérdida de la Calidad del Yogurt Aflanado La pérdida de calidad se evaluará en almacenamiento a temperatura constante (15ºC) durante ocho semanas los factores de calidad considerados a medir son el pH y la viscosidad aparente. El modelo matemático para predecir la pérdida de calidad del yogurt aflanado es la siguiente:
dA = KA dθ Donde: A = μpH ó viscosidad aparente. θ = Tiempo K = Constante de velocidad en unidades de la inversa del tiempo.
2.8.7.
Prueba Sensorial Se realiza una prueba sensorial de muestra única de escala hedónica que mide el grado de satisfacción.
2.8.8
Hipótesis de Trabajo
-
Los parámetros óptimos de concentración de cultivo iniciador y temperatura, determinan un viscosidad.
coágulo estable y
de alta
-
Los ingredientes funcionales del yogurt aflanado le confirién mayor viscosidad y menor grado de sinéresis.
-
El yogurt aflanado elaborado con los parámetros óptimos de la investigación, produce satisfacción en los consumidores.
CAPITULO III.- RESULTADOS
RESULTADOS: A continuación se presentan las graficas de fermentación para los factores considerados en la investigación de temperatura y concentración de inóculo.
Gráfica 1 En la siguiente grafica se observa la variación de la acidez durante la operación de fermentación a la temperatura de 39°C para las tres concentraciones de inóculo consideradas en la presente tesis. CURVAS DE FERMENTACION ACIDO-LACTICA A 39°C VARIACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO DE FERMENTACION TRES CURVAS DE FERMENTACION PARA TRES CONCENTRACIONES DE INOCULO 6.5
6.0
ACIDEZ(u pH)
3.1.
5.5
5.0
INOCULO(1%) INOCULO(3%)
4.5 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
INOCULO(2%)
TIEMPO(H)
En la gráfica 1 se puede observar descriptivamente a partir de las curvas la influencia de la concentración del cultivo sobre la fermentación, observándose las curvas
diferenciadas,
comportamiento.
aun
cuando
muestran
la
misma
tendencia
o
Gráfica 2 En la siguiente gráfica se observa la variación de la ácidez durante la operación de fermentación a la temperatura de 41°C para las tres concentraciones de inóculo consideradas en la presente tesis. CURVAS DE FERMENTACION ACIDO LACTICA A 41°C VARIACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO TRES CURVAS DE FERMENTACION PARA TRES CONCENTRACIONES DE INOCULO 6.5
ACIDEZ(u pH)
6.0
5.5
5.0
INOCULO(1%) INOCULO(3%)
4.5 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
INOCULO(2%)
TIEMPO(H)
En la gráfica 2 se puede observar descriptivamente a partir de las curvas la diferenciación de la concentración de inoculo del 1% y para
la
concentración
de
inoculo
del
2%
y
3%,
casi
sobreponiéndose. A diferencia de la concentración del 1% de inoculo que esta diferenciada.
Gráfica 3 En la siguiente gráfica se observa la variación de la acidez durante la operación de fermentación a la temperatura de 43°C para las tres concentraciones de inóculo consideradas en la presente tesis.
CURVAS DE FERMENTACION ACIDO-LACTICA A 43°C VARACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO TRES CURVAS DE FERMENTACION PARA TRES CONCENTRACIONES DE INOCULO
6.8
6.4
ACIDEZ(u pH)
6.0
5.6
5.2
4.8 INOCULO(1%)
4.4 0.0
INOCULO(3%)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
INOCULO(2%)
TIEMPO(H)
En la gráfica 3 se puede observar descriptivamente a partir de las curvas un acercamiento de las curvas para las concentraciones de inoculo del 3% y para la concentración de inoculo del 2%, casi sobreponiéndose. A variar de la concentración del 1% de inóculo que esta diferenciada.
Gráfica 4 En la siguiente grafica se observa la variación de la acidez durante la operación de fermentación con 1% de inóculo para las tres temperaturas de fermentación consideradas en la presente tesis.
CURVAS DE FERMENTACION ACIDO-LACTICA CON 1% DE INOCULO VARIACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO TRES CURVAS DE FERMENTACION PARA TRES TEMPERATURAS DIFERENTES 6.8
6.4
ACIDEZ(u pH)
6.0
5.6
5.2
4.8
TEMPERATURA (39°C) TEMPERATURA(41°C)
4.4 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
TEMPERATURA (43°)
HORAS(H)
En la gráfica 4 se puede observar descriptivamente a partir de las curvas una superposición de las mismas, para las tres temperaturas de fermentación considerada, con 1% de inóculo o cultivo iniciador
Gráfica 5
En la siguiente grafica se observa la variación de la acidez durante la operación de fermentación con 2% de inóculo para las tres temperaturas de fermentación consideradas en la presente tesis.
CURVAS DE FERMENTACION ACIDO LACTICA PARA 2% DE INOCULO VARIACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO TRES CURVAS PARA TRES TEMPERATURAS DE FERMENTACION 6.4
6.0
ACIDEZ(u pH)
5.6
5.2
4.8
TEMPERATURA (39°C) TEMPERATURA(41°C)
4.4 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
TEMPERATURA(43°)
TIEMPO(H)
En la gráfica 5 se observa descriptivamente que para la temperatura de fermentación de 43°C la curva se encuentra ligeramente diferenciada de las otras dos, que se encuentran muy próximas.
Gráfica 6
En la siguiente grafica se observa la variación de la acidez durante la operación de fermentación con 3% de inóculo para las tres temperaturas de fermentación consideradas en la presente tesis.
CURVAS DE FERMENTACION ACIDO-LACTICA CON 3% DE INOCULO VARIACION DEL pH EN FUNCION DEL TIEMPO TRES CURVAS PARA TRES TEMPERATURAS DE FERMENTACION 6.4
6.0
ACIDEZ(u pH)
5.6
5.2
4.8
TEMPERATURA(39°C) TEMPERATURA(41°C)
4.4 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
TEMPERATURA(43°C)
HORAS(H)
En la gráfica 6 se puede observar descriptivamente a partir de las curvas una superposición de las mismas, para las tres temperaturas de fermentación considerada, con 3% de inóculo o cultivo iniciador.
Diagrama 1 En el siguiente diagrama se presenta el valor de la mediana de las fermentaciones. CAJAS BOX PLOT PARA LA FERMENTACION COMPARACION DEL VALOR DEL pH ALCANZADO HASTA LA MITAD DEL PROCESO COMPARACION DE LAS MEDIANAS 6.5 6.4
VARIACION DEL LA ACIDEZ(u pH)
6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 5.8 5.7 5.6 5.5 5.4 5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 1%/39°C
PH3%/39°C PH2%/39°C
PH2%/41°C PH1%/41°C
PH1%/43°C PH3%/41°C
PH3%/43°C PH2%/43°C
FERMENTACIONES
En el presente diagrama N° 1 se observa descriptivamente la variación del pH hasta la mitad del proceso de fermentación, se observa que el valor del pH alcanzado para las fermentaciones con inculo del 1%, para todas las temperaturas de fermentaciones son relativamente similares.
Estadística Descriptiva para la Fermentación Estadística Descriptiva Para Las Nueve Fermentaciones: Fermentaciones N
3.2.
Minimum
Maximum
Media y
Mediana
Std. Deviation
pH(1% / 43°C)
12
4.84
6.30
5.64
y
5.79
.5910
pH(1% / 41°C)
13
4.79
6.32
5.63
y
5.79
.5948
pH(1% / 39°C)
11
4.77
6.29
5.63
y
5.76
.6276
pH(2% / 39°C)
10
4.76
6.29
5.57
y
5.61
.6123
pH(2% / 41°C)
11
4.77
6.28
5.55
y
5.53
.5902
pH(3% / 43°C)
11
4.80
6.16
5.49
y
5.47
.5562
pH(3% / 41°C)
12
4.79
6.21
5.47
y
5.39
.5660
pH(3% / 39°C)
10
4.72
6.22
5.47
y
5.38
.6021
pH(2% /43°C)
11
4.69
6.25
5.46
y
5.36
.6037
Valid N (listwise)
10
Determinando los Modelos Matemáticos Empíricos Para determinar la relación empírica matemática de la fermentación para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis, se halló el modelo mediante el análisis de correlación y regresión para relaciones estocásticas y de efectos fijos. Los modelos encontrados fueron los siguientes:
Temperatura De Fermentación(°C)
Modelo matemático empírico Inoculo
μpH = ƒ(t) (1)
(%)
39
1
μpH = 0.08440 t – 0.627246 t + 0.822223 t + 6.0278
39
2
μpH = 0.09282 t – 0.611480 t + 0.602004 t +6.1192
39
3
μpH = 0.07097 t – 0.426645 t + 0.167842 t + 6.2715
41
1
μpH = 0.07402 t – 0.545991 t + 0.652964 t + 6.1098
41
2
μpH = 0.10021 t – 0.643020 t + 0.614896 t + 6.1063
41
3
μpH = 0.10211 t – 0.643382 t + 0.603262 t + 6.0544
43
1
μpH = 0.06709 t – 0.509958 t + 0.637058 t + 6.0886
43
2
μpH = 0.06591 t – 0.396309 t + 0.107452 t + 6.2861
43
3
μpH = 0.07735 t – 0.501363 t + 0.411257 t + 6.0833
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Todos los modelos fueron contrastados mediante el análisis de la varianza de la regresión polinomial en conjunto donde se plantea la hipótesis de que todos los coeficiente de regresión son igual a cero o no, o lo que es lo mismo si el coeficiente de correlación es igual a cero o no, de donde se desprende a partir de la prueba” F” si la relación es significativa o no; También se realizó el contraste individual “t” de los coeficientes de regresión. Resultando para todos los modelos de efectos fijos significativa, es decir que existe un ajuste significativo de la relación.
3.3.
Determinando la Cinética de Acidificación Para determinar la relación de la velocidad acidificación se determino la primera derivada de la función de la fermentación (1), para las nueve fermentaciones:
Temperatura De Fermentación(°C)
3.4.
Modelo cinética de acidificación Inoculo (%)
ΔμpH/h = ƒ (t) = νpH l
(2)
39
1
ΔμpH/h = 0.25332 t – 1.25449 t + 0.822223
39
2
ΔμpH/h = 0.27847 t – 1.22296 t + 0.602004
39
3
ΔμpH/h = 0.21290 t – 0.85329 t + 0.167842
41
1
ΔμpH/h = 0.22206 t – 1.09198 t + 0.652964
41
2
ΔμpH/h = 0.30006 t – 1.28604 t + 0.614896
41
3
ΔμpH/h = 0.30633 t –1.28676 t + 0.603262
43
1
ΔμpH/h = 0.20126 t – 1.01992 t + 0.637058
43
2
ΔμpH/h = 0.19774 t – 0.79262 t + 0.107452
43
3
ΔμpH/h = 0.23205 t – 1.00273 t + 0.411257
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Determinación de la Razón de Cambio Instantánea del Modelo Cinético de Acidificación Para Determinar la razón de cambio instantánea de la velocidad o “aceleración” de la fermentación es preciso hallar la segunda derivada de la función de la fermentación (Modelo matemático empírico) (1), para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis.
Modelo razón de cambio instantánea de la Temperatura De Fermentación(°C)
Inoculo (%)
cinética de acidificación νpH/h = ƒll(t)
(3)
39
1
νpH/h = 0.506646 t – 1.25449
39
2
νpH/h = 0.556944 t – 1.22296
39
3
νpH/h = 0.425802 t – 0.85329
41
1
νpH/h = 0.444132 t – 1.09198
41
2
νpH/h = 0.601266 t – 1.28604
41
3
νpH/h = 0.612654 t –1.28676
43
1
νpH/h = 0.402528 t – 1.01992
43
2
νpH/h = 0.395478 t – 0.79262
43
3
νpH/h = 0.464106 t – 1.00273
3.5.
Análisis de la Varianza de los Modelos de la Cinética de Acidificación Mediante el análisis de la varianza de los valores promedios de la velocidad de acidificación ocurridos en las cuatro primeras horas de la fermentación, determinaremos las diferencias significativas del valor promedio en cuestión, considerando para este análisis estadístico dos factores (concentración del inoculo y temperatura de fermentación) y de efectos fijos.
ANÁLISIS DE LA VARIANZA PARA VALORES PROMEDIOS DE LA CINÉTICA DE ACIDIFICACIÓN(μpH / h) FUENTES
DF
Inoculo(%) 2 Temp.Ferment.(°C) 2 Error 4 Total 8 Del presente análisis se establece
SS
MS
F
P
0.006109 0.003055 9.74 0.029 0.001156 0.000578 1.84 0.271 0.001255 0.000314 0.008520 diferencias significativas en la variable observada de la
velocidad promedio, con alta influencia del factor de concentración de inoculo. Existiendo poca probabilidad estadística de la influencia del factor correspondiente a la temperatura de fermentación.
ANÁLISIS DE LA VARIANZA DE LA VELOCIDAD PARA LA PRIMERA HORA DE LA FERMENTACION FUENTES
DF
SS
MS
F
P
Inoculo(%) 2 0.08753 0.04377 9.01 0.033 Temp.Ferment.(°C) 2 0.00067 0.00033 0.07 0.935 Error 4 0.01942 0.00486 Total 8 0.10762 Del análisis estadístico realizado a la velocidad de fermentación transcurrido UNA hora de la fermentación, podemos afirmar a un nivel de significación del 5% que existen diferencias significativas con respecto a la concentración por ser el factor considerado que influye o genera variabilidad en los resultados de la cinética de acidificación.
ANÁLISIS DE VARIANZA PARA VELOCIDAD TRANSCURRIDA DOS HORAS DE LA FERMENTACIÓN FUENTES DF SS MS F P IInoculo(%) 2 0.011905 0.005952 11.59 0.022 Temp.Ferment.(°C) 2 0.006689 0.003344 6.51 0.055 Error 4 0.002055 0.000514 Total 8 0.020648 Del análisis estadístico realizado a la velocidad de fermentación transcurrido a las DOS horas de la fermentación, podemos afirmar a un nivel de significación del 5% que existén diferencias significativas con respecto a la concentración por ser el factor considerado que influye o genera variabilidad en los resultados de la cinética de acidificación.
ANALISIS DE VARIANZA PARA LA VELOCIDAD TRANSCURRIDA TRES HORAS DE LA FERMENTACION FUENTES Inoculo(%) Temp.Ferment.(°C) Error Total
DF 2 2 4 8
SS 0.030467 0.001309 0.003243 0.035018
MS 0.015234 0.000654 0.000811
F 18.79 0.81
P 0.009 0.508
Del análisis estadístico realizado a la velocidad de fermentación transcurrido TRES horas de la fermentación, podemos afirmar a un nivel de significación del 5% que existen diferencias significativas con respecto a la concentración por ser el factor considerado que influye o genera variabilidad en los resultados de la cinética de acidificación.
3.6.
Determinación de los Predictores Cinéticos A partir de los modelos matemáticos empíricos determinados para las nueve fermentaciones consideradas, se hallaron los siguientes predictores:
INOCULO (%)
T.F.(°C)
tFL
tFE
tFL - FE
tνmax.
νmax
(min)
(min)
(min)
(min)
(μpH/min)
1
39
46.65
250.48
203.83
148.56
-0.012181
2
39
33.90
229.61
195.71
131.75
-0.012345
3
39
12.45
228.03
215.58
120.24
-0.011452
1
41
41.77
253.24
211.47
147.52
-0.011491
2
41
32.91
223.76
190.85
128.33
-0.012674
3
41
32.26
219.78
187.52
126.02
-0.012467
1
43
43.78
260.27
216.49
152.02
-0.010917
2
43
8.43
232.07
223.64
120.25
-0.011447
3
43
27.53
231.73
204.2
129.63
-0.011199
Donde: •
T.F.: Temperatura de fermentación.
•
t
FL:
Tiempo de duración de la fase de latencia pHinicial
constante. •
t FE: Tiempo hasta la fase estacionaria, donde el pH obtiene su mínimo valor.
•
t
FL – FE:
Tiempo transcurrido entre la fase de latencia hasta la
fase estacionaria. •
tνmax: Tiempo necesario para llegar a la velocidad máxima.
•
νmax : Máxima velocidad alcanzada durante la fermentación.
ANALISIS DE LA VARIANZA CON DOS FACTORES (TEMPERATURA E INOCULO) Analisis de la Varianza para la Velocidad Máxima Fuentes DF SS MS Inoculo (%) 2 1091.9 545.9 Temp.Ferment.(°C) 2 0.4 0.2 Error 4 125.3 31.3 Total 8 1217.6
F 17.43 0.01
P 0.011 0.994
El presente análisis estadístico establece al nivel de significación del 5% que existe diferencias significativas entre los valores de la velocidad máxima probablemente por el efecto del factor inóculo por presentar mayor variabilidad.
Gráfica 7 En la presente grafica de barras se presentan los tiempos transcurridos en la fermentación hasta la fase estacionaria o máxima declinación del pH, agrupados en función de la temperatura y sub-grupos de inóculo.
GRAFICA N° 7: TIEMPO DE FERMENTACION HASTA LA FASE ESTACIONARIA TIEMPO HASTA LA FASE ESTACIONARIA PARA CADA TEMPERATURA POR INOCULO 270
TIEMPO HASTA FASE ESTACIONARIA(min)
260 260
253
250 250
240
230
232 230
232 LEYENDA(%Inoculo)
228 224
220
INOCULO(1%)
220 INOCULO(2%)
210
INOCULO(3%)
39
41
43
TEMPERATURA DE FERMENTACION(°C)
En la gráfica 7 se observa descriptivamente que el tiempo transcurrido de la fermentación hasta la fase estacionaria alcanza mayores valores para la temperatura de fermentación a 43°C.
Gráfica 8 En la presente grafica de barras se presentan los tiempos transcurridos en la fermentación hasta la fase estacionaria o máxima declinación del pH, agrupados en función de la concentración del inoculo y sub-grupos de temperatura de fermentación.
GRAFICA N° 8: TIEMPO DE FERMENTACION HASTA LA FASE ESTACIONARIA TIEMPO DE FERMENTACION EN FUNCION DEL INOCULO BARRAS POR GRUPOS DE INOCULO Y SUBGRUPOS DE TEMPERATURA
TIEMPO HASTA FASE ESTACIONARIA(min)
270
260 260
253
250 250
240
230
232 230
232 228
224
220
TEMPERATURAS: FERMENTACION(39°C)
220
FERMENTACION(41°C)
210
FERMENTACION(43°C)
1%
2%
3%
CONCENTRACION DE INOCULO(%)
En la gráfica 8 se puede observar descriptivamente que el grupo correspondiente a la concentración de 1% de inoculo se producen los tiempos más extensos de la fermentación, hasta llegar a la fase estacionaria, considerada.
para
las
tres
temperaturas
de
fermentación
3.7.
Análisis de la Variancia del Tiempo de Fermentación hasta la Fase Estacionaria Mediante el análisis de la variancia y la prueba “F” determinaremos las diferencias significativas de los tratamientos para un nivel de significación del 5%.
Análisis De La Varianza Para Tiempo De Fermentación Hasta Fase Estacionaria: FUENTES
DF
SS
MS
F
P
INOCULO(%)
2 1481.86
740.93
80.21
0.001
FERMENTACIÓN(°C)
2
125.30
62.65
6.78
0.052
Error
4
36.95
9.24
A partir del siguiente análisis estadístico del predictor el tiempo transcurrido en la fermentación hasta la fase estacionaria, para las nueve fermentaciones consideradas en la presente investigación de tesis, determinamos que existen diferencias significativas tanto para la temperatura de fermentación como para la concentración del inoculo con respecto al predictor en mención.
ANÁLISIS DE LA VARIANZA PARA LOS TIEMPOS DE FASE LATENCIA T FL: ANALISIS DE LA VARIANZA PARA LA FASE DE LATENCIA (t FL) FUENTES DF SS MS F P inoculo(%) Fermentación(%) Error Total
2 2 4 8
761 123 519 1403
380 62 130
2.93 0.48
0.164 0.653
No existe evidencia estadística a un nivel de significación de 5% para establecer diferencias significativas entre los tiempos de latencia para los factores considerados.
3.8.
Resultados de la Viscosidad del Yogurt Elaborado con los Factores Considerados Para medir la viscosidad de los yogures producidos en las nueve fermentaciones, se determino la misma con el uso de un viscosímetro rotacional Brookfield RVT, en triplicado a una temperatura de 10°C, con una velocidad de deformación de 20rpm.
Gráfica 9 A continuación se presentan en forma de gráfica de barras las Viscosidades Newtonianas Equivalentes (VNE), para las nueve fermentaciones consideradas, agrupadas por temperatura de fermentación y subgrupos de concentración de inóculo.
VISCOSIDAD EQUIVALENTE NEWTONIANA(VNE) POR TEMPERATURA DE FERMENTACION VNE POR GRUPOS DE TEMPERATURA Y SUBGRUPOS DE CULTIVO COMPARACION DE LA CONSISTENCIA
1200
VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE(cp)
1128
1110
1097
1000
896
800
600
632
626 585
588 INOCULO(%) 476
400
INOCULO(%) INOCUÑO(2%)
200
INOCULO(3%)
39°C
41°C
43°C
TEMPERATURAS DE FERMENTACION(°C)
De la gráfica 9 se observa descriptivamente la tendencia de disminución de la VNE en función de la temperatura.
Gráfica 10 A continuación se presentan en forma de grafica de barras las Viscosidad Newtoniana Equivalente (VNE), para las nueve fermentaciones consideradas, agrupadas por concentración de inóculo para la fermentación y subgrupos de temperaturas.
VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE POR CONCENTRACION DE INOCULO VISCOSIDAD POR GRUPOS DE INOCULO Y SUBGRUPOS DE TEMPERATURA COMPARACION DE LA CONSISTENCIA DEL YOGURT
1200
VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE(cp)
1128
1110
1097
1000
896
800
600
632
626 588
585
TEMPERATURA: 476
400
FERMENTACION (39°C) FERMNETACION (41°C)
200
FERMENTACION (43°C)
1%
2%
3%
CONCENTRACION DE INOCULO(%)
De la presente gráfica 10 se observa descriptivamente que para todas las concentraciones de inoculo a la temperatura de 39°C se produce la mas alta VNE. A diferencia la temperatura de fermentación de 43°C produce las más bajas VNE.
3.9
Análisis de la Variancia para la VNE A partir de la análisis de la varianza de los datos de la VNE para los factores
considerados
de
temperatura
de
fermentación
y
concentración de inoculo para efectos fijos, determinamos la diferencias significativas por efecto de los factores considerados en la presente investigación.
ANALISIS DE LA VARIANZA PARA VNE FUENTES
DF
SS
MS
F
P
Temperatura(°C) 2 498854 249427 36.48 0.003 Inoculo(%) 2 29541 14770 2.16 0.231 Error 4 27347 6837 Del análisis estadístico de la varianza se puede establecer diferencias significativas al 5% para la VNE por efecto de la temperatura, pero que los valores observados se encuentran estadísticamente hablando, con muy poca probabilidad de estar influenciados por la variación de la concentración del inóculo.
3.10 .
Determinación Del Grado De Sinéresis Para determinar el grado de sinéresis de los nueve tipos de yogures elaborados con los diferentes parámetros de la fermentación considerados en la presente tesis se colocó una muestra de cada yogurt de volumén constante en un embudo filtro y se esperó por un lapso tiempo de 25 min. La cantidad en cc. de suero producido por efecto de la gravedad determinabá el grado de sinéresis, las muestras se encontraban a 10°C y el ensayo se realizó por
triplicado encontrando los siguientes promedios para las nueve fermentaciones consideradas.
Gráfica 11 En la presente grafica de barras se observa el grado de sinéresis en función de la temperatura con subgrupos de concentración de inoculo.
GRADO DE SINERESIS POR TEMPERATURA DE FERMENTACION
E n
EVALUACION DESCRIPTIVA POR TEMPERATURA PARA CADA PORCENTAJE DE INOCULO 6.50 6.30
6.00 5.50
a
5.00
GRADO DE SINERESIS (%)
l
g r
6.35
4.50 4.00 3.50 3.35
3.00
á
2.50
f
2.00
i
1.50
c
1.00
a
.50
2.45
1.65
1.70
1.70
2.50
1.70
Sineresis a 1% Sineresis a 2% Sineresis a 3%
0.00 39 C
1
41 C
43 C
TEMPERATURA DE FERMENTACION (°C)
1 Se observa la influencia de la temperatura sobre el grado de sinéresis, siendo este mayor conforme aumenta la temperatura de fermentación.
Gráfica 12 En la presente gráfica de barras se observa el grado de sinéresis en función de la concentración del inoculo con subgrupos de temperatura de fermentación. VARIACION DEL GRADO DE SINERESIS COMPARACION DESCRIPTIVA POR INOCULO PARA CADA TEMPERATURA FERMENTACION 6.50 6.35
6.30
6.00 5.50
GRADO DE SINERESIS (%)
5.00 4.50 4.00 3.50 3.35
3.00 2.50
2.50
2.45 2.00
Grado de Sineresis 1.50
1.65
1.70
1.70
1.70 Sineresis a 39 C
1.00
Sineresis a 41 C
.50 0.00
Sineresis a 43 C 1%
2%
3%
CONCENTRACION DE INOCULO (%)
La grafica nos permite describir que a la temperatura de 43°C se produce el más alto grado de sinéresis independientemente de la concentración del inóculo y que para una concentración del inóculo de 1% a las temperaturas de 39°C y 41°C son muy similares y muestran el menor grado de sinéresis.
3.11.
Análisis de la Varianza para el Grado de Sinéresis Mediante el análisis estadístico de la varianza del grado de sinéresis, para los dos factores considerados y de efectos fijos, estableceremos las diferencias significativas para un nivel de significación del 5% de la variable de respuesta observada.
ANALISIS DE LA VARIANZA DEL GRADO DE SINERESIS(%) FUENTES DF SS MS F P Inoculo(%) Temperatura(°C) Error Total
2 2 4 8
3.211 23.321 3.094 29.626
1.605 11.660 0.774
2.08 15.07
0.241 0.014
Del presente análisis podemos establecer que existen diferencias significativas al nivel de significación del 5% entre el grado de sinéresis como producto del factor de la temperatura, pero existe muy poca evidencia estadística para establecer que la variación se deba al factor de la concentración del inoculo, la variabilidad aportada por el efecto del factor de concentración del inóculo es pequeña comparada con la variabilidad de origen o error experimental.
Gráfica 13 La presente gráfica se presenta el grado de sinéresis y la viscosidad (VNE) para las nueve fermentaciones consideradas en la presente investigación de tesis con dos factores de efectos fijos.
GRADO DE SINERESIS VERSUS VISCOSIDAD VARIACION DEL GRADO DE SINERESIS Y LA VISCOSIDAD(VNE) PARA LAS 9 FERMENTACIONES
De la gráfica 13 se puede describir la relación inversa o negativa entre el grado de sinéresis y la viscosidad (VNE), es decir, cuanto menor es el grado de sinéresis encontramos más alta la medida de la viscosidad. Con respecto a las fermentaciones para parámetros menores encontramos menor el grado de sinéresis y más alta la viscosidad.
De los análisis realizados con los dos factores y de efectos fijos, encontramos o determinamos que los parametros óptimos de la fermentación que produzcan un coagulo estable se refieren a las fermentaciones realizadas a 39°C y todas sus concentraciones de inóculos, como tambièn para la fermentación realizada a 41°C con 1% de cultivo iniciador. Pero en el caso de las fermentacines a 39ºC
corresponden a
lapsos de tiempos más largos para llegar a la fase de estacionaria. Por lo tanto para continuar nuestra investigación consideramos que el parámetro optimo de la fermentación es 41°C con 1% de
inoculo, por razones económicas y tecnológicas debido al costo de rebajar la temperatura desde la operación pasteurización (85°C91°C) hasta la temperatura optima de la operación de fermentación.
3.12.
Estabilización e Incremento de la Viscosidad del Yogurt Elaborado con los Parámetros Óptimos de la Fermentación Para estabilizar y elevar la viscosidad del yogurt aflanado elaborado con los parámetros óptimos de la fermentación es necesario adicionarle una mezcla de ingredientes funcionales afines con la leche que permitan: ¾ Disminuir el grado de sinéresis. ¾ Incrementar la viscosidad. ¾ Formación de un coagulo homogéneo. Para ello el investigador probará una mezcla de ingredientes funcionales o estabilizantes elaborados a partir de un mezcla “secreta”, adicionándole a la leche reconstituida antes de la pasteurización
concentraciones
variables
de
este
nuevo
estabilizante (SUPERGELACT), concentraciones en porcentaje peso volumén (% p/v) de 0,2%; 0,4%; 0,6%; 0,8% y 1,0%. Para probar la eficacia de las concentraciones del
estabilizante
“SUPERGELACT”, se realizarón pruebas de grado de sinéresis por centrifugación y de consistencia determinando la medida de la viscosidad con un viscosímetro rotacional Brookfield RVT (fig. 5)
Para
determinar
el
grado
de
sinéresis
para
las
cinco
concentraciones del nuevo estabilizante para yogurt aflanado “SUPERGELACT”, se llevarón las muestras a centrifugacion a la temperatura de 10°C.
3.13.
Determinación del Grado de Sinéresis en Función del Estabilizante “Supergelact” A continuación se presentan en forma grafica los resultados de la centrifugación del yogurt adicionado de cinco concentraciones en peso/volumen
del
estabilizante
“SUPERGELACT”,
para
la
estabilización del coagulo del yogurt aflanado:
Gráfica 14 GRADO DE SINERESIS CON INGREDIENTE FUNCIONAL
D GRADO DE SINERESIS(%)
e
GRADO DE SINERESIS VERSUS CONCENTRCION VARIABLE DE INGREDIENTE FUNCIONAL METODO CENTRIFUGACION
25
24
l 20
a 17
15
g r á
10
f
8
i5 c 2
a0 .00
.20
N
.40
.60
.80
1.00
INGREDIENTE FUNCIONAL(%)
Se puede observar descriptivamente que el grado de sinéresis disminuye conforme aumenta la concentración del estabilizante “SUPERGELACT”, hasta valores de 0% a partir de la concentración de 0,8% del estabilizante.
3.14.
Modelo Matemático Empírico para las Variables de Grado de Sinéresis en Función del Porcentaje de Estabilizante Los datos observados de la variable de respuesta de grado de sinéresis
(%p/v)
y
la
variable
regresora
concentración
de
estabilizante se analizarán mediante un análisis de regresión. Tanto como el ajuste y los coeficientes del modelo se validarán mediante un análisis de varianza: ANÁLISIS DE CORRELACIÓN Y REGRESIÓN: VARIABLE DEPENDIENTE: SINÉRESIS(%)
METODO: CUADRÁTICA
COEFICIENTES DE CORRELACIÓN
Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99641 .99283 .98805 1.10150
ANÁLISIS DE LA VARIANZA DEL MODELO: DF Regression Residuals F =
Sum of Squares
2 3
504.06835 3.63993
207.72422
Mean Square 252.03417 1.21331
Signif F = 0 .0006
EL analisis estadistico revela que el modelo es significativo es decir que el valor de "R" es diferente de cero, a un nivel de significación del 5%. ------------ ANÁLISIS DE CONTRASTE DE LOS COEFICIENTES --------FUENTES INGRE INGRE**2 (Constant)
B -53.824643 28.294643 25.179286
SE B
Beta
4.695257 4.506898 .998323
-1.998587 1.094530
T -11.464 6.278 25.222
El análisis estadístico a un nivel del 5% de significación determina que los coeficientes de la regresión cuadrática son significativos, es decir que se relacionan bien con la variable dependiente es decir que existe regresión o que son diferentes de cero. Por tanto el modelo para la relación empírica es:
Sig T .0014 .0082 .0001
Donde : • °GS = 28.294643
I2
--53.824643 I + 25.179286
° G S
: Grado de sinéresis (%v/v) •
I
: Concentración del estabilizante (%p/v)
Gráfica 15 Representación grafica del modelo cuadrático para la regresión de las variables en cuestión: CURVA DE GRADO DE SINERESIS(%) EN FUNCION DEL ESTABILIZANTE
GRADO DE SINERESIS(%)
E MODELO DE REGRESION CUADRATICA 30
n
25
l a
20
g
15
r á
10
f i5
LEYENDA Curva observada
c 0 a
0.0
1
Modelo Cuadratico .2
.4
.6
.8
1.0
1.2
INGREDIENTE FUNCIONAL(%)
Se puede observar la tendencia cuadrática de los datos observados por la superposición con el modelo predictivo, la relación de las variables es negativa, es decir mayor cantidad de estabilizante menor grado de sinéresis.
3.15.
Determinación de la Consistencia del Yogurt Aflanado en Función del Estabilizante “Supergelact” Para determinar la consistencia del yogurt aflanado elaborado con cinco concentraciones del estabilizante “SUPERGELACT”, se determinó la medida de la viscosidad newtoniana equivalente con el uso de un viscosímetro rotacional Brookfield RVT. Las mediciones se realizarón a la temperatura de 10°C con spindle (aguja o husillo) número 4 y para una velocidad de deformación de 30rpm, se determinarón en triplicado.
Grafica 16 CONSISTENCIA DEL YOGURT EN FUNCION DEL ESTABILIZANTE 10000
VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE(cP)
D
8820
8000
e
6800
l6000 a 4000
g
3420
r 2000
á f
0
i
459 0.2%
c
746 0.4%
0.6%
0.8%
1.0%
PORCENTAJE DE ESTABILIZANTE SUPERGELACT(%)
a Se puede observar descriptivamente el incremento de la VNE en función del incremento de la concentración del estabilizante “SUPERGELACT”.
3.16 .
Modelo Matemático Empírico de la VNE: Se determinará mediante el análisis de correlación y regresión la relación matemática empírica de las variables de respuesta (VNE) y la variable regresora (concentración del estabilizante). El modelo sera validado mediante el análisis de la varianza y la contrastación de los coeficientes del modelo. ANÁLISIS DE CORRELACIÓN Y REGRESIÓN:
VARIABLE DEPENDIENTE: VNE
MODELO: CÚBICO
ANÁLISIS DE CORRELACIÓN
Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
0.99998 0.99996 0.99984 46.01630
ANALISIS DE LA VARIANZA PARA EL MODELO:
Regression Residuals F=
DF Sum of Squares
Mean Square
3 1
18173958.2 2117.5
8582.74294
54521874.5 2117.5 Signif F = 0 .0079
De el presente analisis estadistico para el modelo de regresion de las variables correlacionadas se determina la significación de la relación al 5% de significación, es decir que el coeficiente de regresión es diferente de cero. -------------------- CONTRASTE DE LOS COEFICIENTES DE REGRESIÓN -------------------Variable
ESTABI ESTABI**2 ESTABI**3 (Constant)
B
-34397.5 77706.25 -39031.25 4548.0
SE B
Beta
1479.501136 -2.946206 2745.699763 8.140628 1515.795022 -4.310388 226.370272
T
Sig T
-23.249 28.301 -25.750 20.091
.0274 .0225 .0247 .0317
Del presente análisis estadístico de prueba "T" a un nivel de significación del 5% para los coeficientes de regresión estos son significativos, es decir que se encuentran relacionados con la variable o que ningún valor es igual a cero.
3.16.1.
Modelo Matemático Empírico: El modelo matemático empírico de los datos observados como efectos fijos es el siguiente:
VNE = -39031.25 I3 + 77706.25 I2 + -34397.5 I + 4548.0
Gráfica 17 La siguiente grafica representa el modelo predictivo o ajuste para el rango los datos observados: CURVA DE LA VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE DEL YOGURT AFLANADO
L
VNE EN FUNCION DE LA CONCENTRACION DEL ESTABILIZANTE
a VISCOSIDAD DEL YOGURT AFLANADO CON SUPERGELACT
10000
g VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE (cP)
9000
r
8000
á
f7000 i6000 c5000 a
4000 3000
m
2000
MODELOS
o
d1000 e l
TENDENCIA OBSERVADA
0
MODELO CUBICO
.20
.40
a
.60
.80
1.00
CONCENTRACION DE ESTABILIZANTE(%)
La realación cúbica de las variables regresoras y de respuesta, revela
una
relación
positiva
entre
las
variables
concentración del estabilizante mayor viscosidad (VNE).
a
mayor
Gráfica 18 La siguiente grafica describe el comportamiento del yogurt aflanado en función del agregado de las cinco diferentes concentraciones del estabilizante SUPERGELACT, tanto para el grado de sinéresis y la viscosidad. COMPARACION DESCRIPTIVA DEL GRADO DE SINERESIS Y LA VISCOSIDAD GRADO DE SINERESIS(GS) Y VISCOSIDAD NEWTONIANA EQUIVALENTE(VNE)
GS Y VNE EN FUNCION DEL ESTABILIZANTE
De la presente grafica 18 se observa descriptivamente la disminución
del
grado
de
sinéresis
al
incrementarse
la
concentración del estabilizante, en el caso de la viscosidad, esta aumenta al aumentar el estabilizante. Y entre el grado de sinéresis y la viscosidad existe una relación inversa a más viscosidad menor grado de sinéresis.
“Luego de analizar los datos de viscosidad (VNE) y el grado de sinéresis obtenidos de elaborar el yogurt aflanado y encontrar una relación positiva tanto para la consistencia y el grado de sinéresis en función del incremento de la adición del estabilizante “SUPERGELACT”, decidimos establecer que la concentración optima del estabilizante es de 0,8%(p / v).”
3.17.
Caracterización Reométrica del Yogurt Aflanado A continuación se caracterizará reometricamante el yogurt aflanado elaborado
con
1%
de
inoculo,
0,8%
de
estabilizante
“SUPERGELACT” y fermentado a 41°C. Antes de realizar él presente análisis es importante realizar una descripción sensorial visual del comportamiento del yogurt aflanado elaborado a partir de los parámetros óptimos de la fermentación con 0,8%(p/v) de estabilizante “SUPERGELACT”.
En la figura se puede observar la consistencia del yogurt: (A) Se observa una muestra de yogurt suspendida con la parte convexa de una cucharita plástica aún después de 10 seg. (B) Se observa una cucharita plástica introducida en el centro del yogurt sin que esta se recline aún después de 10 seg. a más.
Fig. 8
En la presente figura se muestra la fotografía realizada a dos tipos de yogures elaborados con los mismos parámetros de la fermentación pero uno (A) elaborado sin estabilizante y el otro (B) con 0,8% de estabilizante “SUPERGELACT”, después de transcurridos 10 seg.
Fig. 9
En la presente figura 9 se muestra la misma fotografía realizada en la figura 8 pero después de 10 segundos más, observándose que la muestra (A) sigue fluyendo y la muestra (B) no fluye a expensas de su peso.
Fig. 10
En la presente fig.10 se observa tres muestras de yogurt aflanado de la tesis: (A) Muestra de yogurt suspendido en cucharita invertida. (B) Muestra de yogurt con cucharadita introducida y suspendida verticalmente. (C) Muestra de yogurt con copa totalmente invertida.
Fig, 11
En la presente fig. 11 se observa sensorialmente que el yogurt(A) no fluye a expensas del efecto de la gravedad o por acción de su propio peso, si no que es necesario superar un esfuerzo mínimo necesario para poder fluir.
3.18.
Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado a 12°C
3.18.1.
Comportamiento a la Deformación de Flujo: Para el siguiente análisis reométrico del yogurt aflanado óptimo de la presente tesis fue sometido a su deformación (velocidades de 10, 20, 30, 50, 60 y 100rpm) en un viscosímetro rotacional Brookfield RVT con aguja número 4 a la temperatura de 12°C. El viscosímetro para cada velocidad de deformación (Ni) nos entrega el valor de tres variables: ¾ El esfuerzo cortante (Pa). ¾ El gradiente de velocidad (1/s). Y ¾ Viscosidad Newtoniana equivalente (cP).
3.18.2.
La Ley De Potencia Los datos de velocidad de deformación y esfuerzo cortante fueron sometidos al análisis de regresión, para determinar si los datos observados del yogurt aflanado se ajustan a una regresión potencial (Ley de Potencia).
VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE (Pa)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTE DE REGRESIÓN
R Square Adjusted R Square Standard Error
.99886 .99828 .00660
ANALISIS DE LA VARIANCIA:
Regression Residuals F =
DF
Sum of Squares
Mean Square
1 2
.07605243 .00008710
.07605243 .00004355
1746.22546
Signif F = 0,0006
El presente análisis estadístico determina a un nivel de significación del 5% que el modelo de regresión potencial es significativo, es decir que el coeficiente de correlación es diferente de cero.
-------------------- COEFICIENTES EN LA ECUACIÓN -----------------------------------VARIABLES VELOCIDAD(rpm) (Constant)
B .164149 48.590885
SE B .003928 .697282
Beta .999428
T 41.788 69.686
Para el contraste de los coeficientes de la regresión mediante la prueba “t” determino para un nivel de significación del 5% que influencia a la variable dependiente o que son diferentes de cero. Por tanto los datos observados se ajustan a la “Ley de Potencia”. El modelo es el siguiente:
σ = 48.590885 Ni.164149 Donde el valor de la pendiente(n) de la regresión potencial coincide con el índice reológico del fluido, para las curvas de flujo (σ vs γ ), el cual define para nuestro yogurt un comportamiento pseudo-plástico (n < 1).
Sig T .0006 .0002
Gráfica 19 La siguiente grafica representa el comportamiento potencial de las variables observadas mediante el ajuste por mínimos cuadrados “Ley de Potencia”:
RELACION ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION RELACION POTENCIAL ENTRE LAS VARIABLES
ESFUERZO CORTANTE (Pa)
LEY DE POTENCIA PARA EL YOGURT AFLANADO A 12°C
110
100
90
80
LEYENDA
70
CURVA OBSERVADA
60
CURVA POTENCIAL
0
20
40
60
80
VELOCIDAD DE DEFORMACION (rpm)
100
3.18.3.
Comportamiento al Flujo: Mediante el ajuste por mínimos cuadrados, se realiza la regresión potencial de las variables, esfuerzo cortante (σ ) en función del gradiente de velocidad (γ), para determinar el índice reológico (n) y el coeficiente de consistencia (Κ). VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE (Pa)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTES DE CORRELACION: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99943 .99886 .99828 .00660
ANALISIS DE LA VARIANCIA:
Regression Residuals F =
DF
Sum of Squares
Mean Square
1 2
.07605243 .00008710
.07605243 .00004355
1746.22546
Signif F = 0.0006
El modelo es significativo al nivel de significación del 5%
-------------------- COEFICIENTES EN LA ECUACIÓN ------------------Variable
B
SE B
Beta
T
Sig T
GRAD.VELOCIDAD(1/s) .164149 (Constant) 48.815376
.003928 .695264
.999428
41.788 70.211
.0006 .0002
Los coeficientes influyen a la variable dependiente significativamente. Por lo tanto el modelo potencial del comportamiento del flujo pseudoplástico es:
σ = 48.815376 γ .164149 Donde: • • • •
σ : Esfuerzo cortante (Pa) γ : Gradiente de velocidad (1/S) Κ : coeficiente de consistencia (Pa.sn) =48.815376 n : Índice reológico n = 0.164149.
Gráfica 20 La gráfica representa la curva de flujo del yogurt aflanado a 12°C para un comportamiento pseudoplástico.
CURVA DE FLUJO PARA EL YOGURT A 12°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PSEUDOPLASTICO DEL YOGURT AFLANADO
110
100
90
80
LEYENDA
70
CURVA OBSERVADA
60
CURVA POTENCIAL
0
20
40
60
80
100
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/s)
3.18.4.
Comportamiento de Viscosidad Aparente del Yogurt Aflanado a 12°C: Análisis de regresión potencial de la viscosidad aparente (ηa) en función del gradiente de velocidad. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = к γ n-1
MODELO: CURVA DE VISCOSIDAD VARIABLE DEPENDIENTE: VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTES DE REGRESIÓN: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99998 .99996 .99993 .00660
ANALISIS DE LA VARIANCIA:
Regression Residuals F =
DF
Sum of Squares
Mean Square
1 2
1.9719523 .0000870
1.9719523 .0000435
45309.36214
Signif F = 0.0000
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que el modelo es significativo, existe una buena correlación entre las variables.
-------------------- COEFICIENTES DE REGRESIÓN --------------------------------------Variable
B
GRADIENTE VELC(1/S) -.835852 (Constant) 48.815581
SE B .003927 .695023
Beta -.999978
T -212.860 70.236
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que los coeficientes de la ecuación son significativos, existe una buena relación entre las variables. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = 48.815581 γ -.835852
Sig T .0000 .0002
Gráfica 21 La gráfica representa la relación potencial de la viscosidad aparente en función del gradiente de velocidad para el yogurt aflanado a 12°C.
CURVAS DE VISCOSIDAD DEL YOGURT AFLANADO A 12°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APRENTE(Pa.s)
COMPORTAMIENTO PSEUDOPLASTICO
8 7 6 5 4 3 2
LEYENDA
1 0
CURVA POTENCIAL 0
20
40
60
80
100
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.18.5.
Umbral de Fluencia: A partir de la la percepción visual del yogurt aflanado elaborado en la presente tesis (Fig. 7 hasta Fig. 11), es presumible la presencia de un umbral de fluencia. El cual se determinara empíricamente con el ajuste lineal por mínimos cuadrados de la relación del esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. El umbral de fluencia es el siguiente:
σ0 = 71.548Pa,
Por tanto el modelo se ajusta a un FLUIDO PLÁSTICO (MODELO HERSCHEL-BULKLEY), para el yogurt aflanado a 12°C es :
σ = 71.548 + 48.815 γ0.16415
Gráfica 22 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 12°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos modelo HerschelBulkley CURVA DE FLUJO DEL YOGURT AFLANADO A 12°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PLASTICO DEL YOGURT 200
180
160
140
120
100
80
MODELO
60 HERSCHEL-BULKLEY
40 0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.18.6.
Curva de Viscosidad para el Modelo Herschel-Bulkley: El modelo empírico para la viscosidad aparente en función del gradiente
de
velocidad
para
el
yogurt
aflanado
comportamiento de fluido plástico es el siguiente:
ηa = 71.548 γ -1 + 48.815 γ -0.836
a
12°C,
Gráfica 23 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 12°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos, modelo HerschelBulkley :
CURVA DE VISCOSIDAD APARENTE DEL YOGURT AFLANADO A 12°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PLASTICO DEL YOGURT MODELO(HERSCHEL-BULKLEY) 30
25
20
15
10
MODELO
5
0
HERSCHEL-BULKLEY
0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.19.
Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado A 15°C
3.19.1.
Comportamiento A La Deformación De Flujo Para el siguiente análisis reométrico del yogurt aflanado optimo de la presente tesis fue sometido a su deformación (velocidades de 10, 20, 30, 50, 60 y 100rpm) en un viscosímetro rotacional Brookfield RVT con aguja número 4 a la temperatura de 15°C. El viscosímetro para cada velocidad de deformación (Ni) nos entregaba el valor de tres variables: ¾ El esfuerzo cortante (Pa). ¾ El gradiente de velocidad (1/s). Y ¾ Viscosidad Newtoniana equivalente (cP).
3.19.2.
La Ley de Potencia Los datos de velocidad de deformación y esfuerzo cortante fueron sometidos al análisis de regresión, para determinar si los datos observados del yogurt aflanado se ajustan a una regresión potencial (Ley de Potencia).
MODEL: CALCULO DE LA LEY DE POTENCIA VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE (Pa)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTES DE REGRESION: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99716 .99433 .99149 .02072
ANALISIS DE LA VARIANCIA:
Regression Residuals F =
DF
Sum of Squares
Mean Square
1 2
.15049942 .00085880
.15049942 .00042940
350.48701
Signif F = 0.0028
-------------------- Variables en la Ecuación -------------------Variable
B
VELO. DEFORMACION(rpm) .230913 (Constant) 27.511298
SE B .012334 1.239623
Beta .997159
T
Sig T
18.721 22.193
.0028 .0020
El presente análisis estadístico determina a un nivel de significación del 5% que el modelo de regresión potencial es significativo, es decir que el coeficiente de correlación es diferente de cero. Por tanto los datos observados se ajustan a la “Ley de Potencia”. El modelo el el siguiente:
σ = 27.511298 Ni 0.230913 Donde el valor de la pendiente(n) de la regresión potencial coincide con el índice reológico del fluido, para las curvas de flujo (σ vs γ ), el cual define para nuestro yogurt un comportamiento pseudo-plástico (n < 1).
Gráfica 24 La siguiente gráfica representa el comportamiento potencial de las variables observadas mediante el ajuste por mínimos cuadrados “Ley de Potencia”:
CURVA DE FLUJO PARA EL YOGURT AFLANADO A 15°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
LEY DE POTENCIA 90
80
70
60
50
LEYENDA 40 CURVA OBSERVADA 30
CURVA POTENCIAL 0
20
40
60
80
100
120
VELOCIDAD DE DEFORMACION(rpm)
3.19.3.
Comportamiento al Flujo Mediante el ajuste por mínimos cuadrados, se realiza la regresión potencial de las variables, esfuerzo cortante(σ ) en función del gradiente de velocidad(γ), para determinar el índice reológico (n) y el coeficiente de consistencia (Κ). MODELO: CURVA DE FLUJO VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE (Pa)
METODO:POTENCIAL
COEFICIENTES DE CORRELACIÓN: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99716 .99433 .99149 .02072
ANALISIS DE LA VARIANCIA: DF Regression Residuals F =
Sum of Squares
1 2
Mean Square
.15049942 .00085880
350.48701
.15049942 .00042940
Signif F =
.0028
-------------------- COEFICIENTES DE REGRESIÓN -------------------Variable
B
GRADIENTE VELOC.(1/s) .230913 (Constant) 29.413213
Los
coeficientes
influyen
a
SE B
Beta
.012334 1.223349
.997159
la
variable
T 18.721 24.043
dependiente
significativamente. Por lo tanto el modelo potencial del comportamiento del flujo pseudoplástico es:
σ = 29.413213 γ 0.230913 Donde: • • • •
σ : Esfuerzo cortante (Pa) γ : Gradiente de velocidad (1/S) Κ : coeficiente de consistencia (Pa.sn) =29.413213 n : Índice reológico n = 0.230913.
Sig T .0028 .0017
Gráfica 25 La gráfica representa la curva de flujo del yogurt aflanado a 15°C para un comportamiento pseudoplástico.
CURVAS DE FLUJO PARA EL YOGURT AFLANADO A 15°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
FLUIDO PSEUDOPLASTICO PARA EL YOGURT AFLANADO A 15°c 90
80
70
60
50
40 Observed 30
Power 0
10
20
30
40
50
60
70
80
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.19.4.
Comportamiento de Viscosidad Aparente del Yogurt Aflanado a 15°C Análisis de regresión potencial de la viscosidad aparente (ηa) en función del gradiente de velocidad. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = к γ n-1
MODELO: CURVA DE VISCOSIDAD VARIABLE DEPENDIENTE: VISCOSIDAD APARENTE (Pa.s)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTES DE REGRESION: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99974 .99949 .99923 .02072
ANALISIS DE LA VARIANCIA: DF Regression Residuals F =
1 2
3888.05103
Sum of Squares 1.6695051 .0008588 Signif F =
Mean Square 1.6695051 .0004294
.0003
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que el modelo es significativo, existe una buena correlación entre las variables.
-------------------- COEFICIENTES DE REGRESIÓN -------------------Variable GRADIENT (Constant)
B
SE B
Beta
T
Sig T
-.769087 29.413203
.012334 1.223339
-.999743
-62.354 24.043
.0003 .0017
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que los coeficientes de la ecuación son significativos, existe una buena relación entre las variables. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = 29.413203 γ -0.769087
Gráfica 26 En la presente gráfica se representa el comportamiento de la ley de potencia de la relación de la viscosidad aparente en función del gradiente de velocidad a15ºC:
CURVA DE VISCOSIDAD DEL YOGURT AFLANADO A 15°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
FLUIDO PSEUDOPLASTICO DEL YOGURT AFLANADO A 15°C 7
6
5
4
3
2 LEYENDA 1
0
CURVA POTENCIAL 0
10
20
30
40
50
60
70
80
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.19.5.
Umbral de Fluencia A partir de la la percepción visual del yogurt aflanado elaborado en la presente tesis (Fig. 7 hasta Fig. 11), es presumible la presencia de un umbral de fluencia. El cual se determinara empíricamente con el ajuste lineal por mínimos cuadrados de la relación del esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. El umbral de fluencia es el siguiente:
σ0 = 47.323547 Pa,
Por tanto el modelo se ajusta a un FLUIDO PLÁSTICO (MODELO HERSCHEL-BULKLEY), para el yogurt aflanado a 15°C es :
σ = 47.323547 + 29.413213 γ0.230913 Gráfica 27 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 15°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos modelo HerschelBulkley: CURVA DE FLUJO DEL YOGURT AFLANADO A 15°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PLASTICO DEL YOGURT (MODELO HERSCHEL-BULKLEY) 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 MODELO
40
HERSCHEL-BULKLEY
30 20 0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.19.6.
Curva de Viscosidad para el Modelo Herschel-Bulkley El modelo empírico para la viscosidad aparente en función del gradiente
de
velocidad
para
el
yogurt
aflanado
a
15°C,
comportamiento de fluido plástico es el siguiente:
ηa = 47.323547 γ -1 + 29.4132 γ –0.769087
Gráfica 28 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 12°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos, modelo Herschel-Bulkley : CURVA DE VISCOSIDAD APARENTE DEL YOGURT AFLANADO A 15°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PLASTICO DEL YOGURT(MODELO HERSCHEL-BULKLEY)
60
50
40
30
20 MODELO
10 0
HERSCHEL-BULKLEY
0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.20.
Comportamiento Reológico del Yogurt Aflanado A 22°C
3.20.1.
Comportamiento a la Deformación de Flujo Para el siguiente análisis reométrico del yogurt aflanado optimo de la presente tesis fue sometido a su deformación (velocidades de 10, 20, 30, 50, 60 y 100rpm) en un viscosímetro rotacional Brookfield RVT con aguja número 4 a temperatura de 22°C. El viscosímetro para cada velocidad de deformación (Ni) nos entregaba el valor de tres variables: ¾ El esfuerzo cortante (Pa). ¾ El gradiente de velocidad (1/s). Y ¾ Viscosidad Newtoniana equivalente (cP).
3.20.2.
La Ley de Potencia Los datos de velocidad de deformación y esfuerzo cortante fueron sometidos al análisis de regresión, para determinar si los datos observados del yogurt aflanado se ajustan a una regresión potencial (Ley de Potencia). MODELO: LEY DE POTENCIA VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE (Pa)
METODO:POTENCIAL
COEFICIENTES DE REGRESION: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99948 .99897 .99794 .02476
ANALISIS DE LA VARIANCIA: DF Sum of Squares Regression Residuals F =
1 1
968.13052
.59329778 .00061283
Mean Square .59329778 .00061283
Signif F = 0.0205
El modelo es significativo al nivel de significación del 5%.
-------------------- COEFICIENTES DE LA REGRESION -------------------Variable VELO.DEFORM.(rpm) (Constant)
B
SE B
Beta
.461069 9.946761
.014818 .550272
.999484
T
Sig T
31.115 18.076
.0205 .0352
El presente análisis estadístico determina a un nivel de significación del 5% que el modelo de regresión potencial es significativo, es decir que el coeficiente de correlación es diferente de cero. Por tanto los datos observados se ajustan a la “Ley de Potencia”. El modelo el el siguiente:
σ = 9.946761 Ni 0.461069
Donde el valor de la pendiente(n) de la regresión potencial coincide con el índice reológico del fluido, para las curvas de flujo (σ vs γ ), el cual define para nuestro yogurt un comportamiento pseudo-plástico (n < 1).
Gráfica 29 La siguiente gráfica representa el comportamiento potencial de las variables observadas mediante el ajuste por mínimos cuadrados “Ley de Potencia”:
CURVA DE FLUJO DEL YOGURT AFLANADO A 22°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
LEY DE POTENCIA 90
80
70
60
50
40
30
20
Observed Power
10 0
20
40
60
80
100
120
VELOCIDAD DEFORMACION(rpm)
3.20.3.
Comportamiento al Flujo Mediante el ajuste por mínimos cuadrados, se realiza la regresión potencial de las variables, esfuerzo cortante (σ) en función del gradiente de velocidad (γ), para determinar el índice reológico (n) y el coeficiente de consistencia (Κ).
MODELO: CURVA DE FLUJO VARIABLE DEPENDIENTE: ESFUERZO CORTANTE(Pa)
METODO:POTENCIAL
COEFICIENTES DE CORRELACIÓN: Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99948 .99897 .99794 .02476
ANÁLISIS DE LA VARIANCIA: DF Regression Residuals F =
Sum of Squares
1 1
Mean Square
.59329778 .00061283
968.13052
.59329778 .00061283
Signif F = 0.0205
El presente analisis estadistico establece que el modelo regresión potencial es significativo al 5% de nivel de significación. -------------------- COEFICIENTES DE LA REGRESION -------------------Variable
B
GRADT.VELOC.(1/S) .461069 (Constant) 14.511588
Los
coeficientes
influyen
SE B
Beta
T
.014818 .634267
.999484
31.115 22.879
a
la
variable
Sig T .0205 .0278
dependiente
significativamente. Por lo tanto el modelo potencial del comportamiento del flujo pseudoplástico es:
σ = 14.511588 γ 0.461069 Donde: • •
σ : Esfuerzo cortante (Pa)
γ : Gradiente de velocidad (1/S)
• Κ : coeficiente de consistencia (Pa.sn) =14.511588 • n : Índice reológico n = 0.461069.
Gráfica 30 La gráfica representa la curva de flujo del yogurt aflanado a 22°C para un comportamiento pseudoplástico.
CURVA DE FLUJO DEL YOGURT AFLANADO A 22°C ESFUREZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
FLUIDO PSEUDOPLASTICO 90
80
70
60
50
40
30 LEYENDA 20
Observed
10
Power 0
10
20
30
40
50
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.20.4.
Comportamiento de Viscosidad Aparente del Yogurt Aflanado A 22°C Análisis de regresión potencial de la viscosidad aparente (ηa) en función del gradiente de velocidad. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = к γ n-1
MODELO: CURVA DE VISCOSIDAD VARIABLE DEPENDIENTE: VISCOSIDAD APARENTE (Pa.s)
METODO: POTENCIAL
COEFICIENTES DE CORRELACIÓN; Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99962 .99924 .99849 .02476
ANALISIS DE LA VARIANCIA:
Regression Residuals F =
DF
Sum of Squares
Mean Square
1 1
.81060206 .00061282
.81060206 .00061282
1322.75121
Signif F =
.0175
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que el modelo es significativo, existe una buena correlación entre las variables.
-------------------- COEFICIENTES DE REGRESIÓN -------------------Variable GRAD.VELO.(1/S) (Constant)
B
SE B
Beta
-.538931 14.511583
.014818 .634260
-.999622
T
Sig T
-36.370 .0175 22.880 .0278
El análisis estadístico determina al nivel de significación del 5% que los coeficientes de la ecuación son significativos, existe una buena relación entre las variables. El modelo de la viscosidad aparente es el siguiente:
ηa = 14.511583 γ -0.538931
Gráfica 31 En la presente gráfica se representa el comportamiento de la ley de potencia de la relación de la viscosidad aparente en función del gradiente de velocidad a 22ºC:
CURVA DE VISCOSIDAD DEL YOGURT AFLANADO A 22°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
FLUIDO PSEUDOPLASTICO 8
7
6
5
4
3
2 LEYENDA 1 0
CURVA POTENCIAL 0
10
20
30
40
50
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.20.5.
Umbral De Fluencia: A partir de la la percepción visual del yogurt aflanado elaborado en la presente tesis (Fig. 7 hasta Fig. 11), es presumible la presencia de un umbral de fluencia. El cual se determinara empíricamente con el ajuste lineal por mínimos cuadrados de la relación del esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. El umbral de fluencia es el siguiente:
σ0 = 25.531276 Pa,
Por tanto el modelo se ajusta a un FLUIDO PLÁSTICO (MODELO HERSCHEL-BULKLEY), para el yogurt aflanado a 22°C es :
σ = 25.531276 + 14.511588 γ0.461069 Gráfica 32 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 22°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos modelo HerschelBulkley: CURVA DE FLUJO PARA EL YOGURT AFALNADO A 22°C ESFUERZO CORTANTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
ESFUERZO CORTANTE(Pa)
COMPORTAMIENTO FUIDO PLASTICO DEL YOGURT(MODELO HERSCHEL-BULKLEY)
160 140 120 100 80 60 40 20
Observed
0
Power
0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.20.6.
Curva de Viscosidad para el Modelo Herschel-Bulkley El modelo empírico para la viscosidad aparente en función del gradiente
de
velocidad
para
el
yogurt
aflanado
a
22°C,
comportamiento de fluido plástico es el siguiente:
ηa = 25.53128 γ -1 + 14.51159 γ –0.538931
Gráfica 33 En la presente gráfica se puede observar el comportamiento de Fluido Plástico del yogurt aflanado a 22°C, representando una curva característica para los fluidos plásticos, modelo HerschelBulkley :
CURVA DE VISCOSIDAD APARENTE DEL YOGURT AFLANADO A 22°C VISCOSIDAD APARENTE EN FUNCION DEL GRADIENTE DE VELOCIDAD
VISCOSIDAD APARENTE(Pa.s)
COMPORTAMIENTO FLUIDO PLASTICO DEL YOGURT(MODELO HERSCHEL-BULKLEY) 50 45 40 35 30 25 20 15
MODELO
10 5
HERSCHEL-BULKLEY
0 0
20
40
60
80
100
120
GRADIENTE DE VELOCIDAD(1/S)
3.21.
Dependencia
con
la
Temperatura
del
Coeficiente
de
Consistencia: La temperatura ejerce una influencia sobre el coeficiente de consistencia y la viscosidad aparente de los fluidos que se modelan o configurán según la ley de potencia, esté efecto puede ser descrito mediante una ecuación tipo Arrhenius:
ΚT = Κ0 exp (Ea / RT)
M
ediante el ajuste por mínimos cuadrados (regresión exponencial), del coeficiente de consistencia (Κ) en función de la inversa de la temperatura absoluta (1/°k), podemos determinar el valor de la Ea (Energía de activación) a partir del valor de la pendiente del modelo exponencial. En general puede decirse que valores altos de la Ea reflejan la dependencia de la viscosidad aparente y el coeficiente de consistencia o el comportamiento reologico del fluido en general por la temperatura. Para el yogurt aflanado determinamos la siguiente relación exponencial:
ΚT = 3.47406*10-14 exp (9923.7082) De donde obtenemos el valor de la Ea = 82.5057kJ /mol. El cual revela que el comportamiento reológico del yogurt aflanado esta influenciado pora las temperaturas observadas.
Gráfica 34 La presente gráfica muestra el modelo exponencial ajustado (r2 = 0.98468) por el metodo de minimos cuadrados para la relación del coeficiente reologico de consistencia y la inversa de la temperatura absoluta.
DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA DEL COEFICIENTE DE CONSISTENCIA COEFICIENTE DE CONSISTENCIA EN FUNCIÓN DE TEMPERATURA COEFICIENTE REOLOGICO DEL YOGURT AFLANDO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
COEFICIENTE DE CONSISTENCIA (Pa.s)
50
40
30
20 MODEL.EMPIRICO :
10
CURVA EXPONENCIAL
.00338 .00340 .00342 .00344 .00346 .00348 .00350 .00352 INVERSA TEMPERATURA ABSOLUTA (1/°k)
3.22.
Coeficientes Reológicos del Yogurt Aflanado: A continuación se presente un cuadro comparativo de los coeficientes reólogicos del yogurt aflanado elaborado a 41°C, con 1% de inoculo y 0,8% estabilizante “SUPERGELACT”, para tres temperaturas:
Tabla N° 12 Índice Relógico
Coefct.Consistencia
Umbral de Fluencia
“n”
“Κ”(Pa.sn)
σ0
12
0.164149
48.815376
71.54800
15
0.2309913
29.413213
47.323547
22
0.461069
14.511588
25.531276
T(°C)
De la tabla se pueden establecer las siguientes conclusiones: ¾ Establecemos, con respecto al indice reológico que aumenta conforme se incrementa la temperatura. ¾ El coeficiente de consistencia decrece conforme aumenta la temperatura, es decir el yogurt aflanado disminuye su viscosidad en función
del
incremento
de
la
temperatura,
para
las
tres
temperaturas consideradas en la presente investigación de tesis. ¾ El umbral de fluencia disminuye en función del incremento de la temperatura, para el rango de temperaturas consideradas en la presente tesis.
3.23.
Medida del Grado de Satisfacción de la Consistencia del Yogurt Aflanado Para determinar el grado de satisfacción de 50 consumidores regulares de yogurt, que le producía la consistencia del yogurt aflanado se realizó una prueba de escala Hedónica adimensionada de nueve puntos. Para llegar a establecer que nivel de placer o satisfacción en escala hedónica con respecto a la consistencia le producía al consumir un yogurt aflanado elaborado con los parámetros óptimos de la presente tesis A continuación se presentan los resultados de dicha prueba sensorial. La escala consideró desde la descripción número uno como extremadamente agradable, hasta la descripción número nueve como extremadamente desagradable.
Gráfica 35 En la presente gráfica de barras se presentan los resultados de la prueba de escala hedónica para la consistencia del yogurt aflanado.
NUMERO DE OBSERVACIONES (%)
GRADO DE SATISFACCION DE LA CONSISTENCIA DEL YOGURT 80
70 70
60
50
40
30
20 20
10
0
6
4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
PERCEPCION PERSONAL(escala)
De la gráfica presente podemos establecer que para el 70% de los encuestados, la consistencia del yogurt lo percibían como muy agradable, además ninguno de los encuestados describió la sensación que le producía el yogurt aflanado para escalas mayores de cuatro. .
Grafica 36 En la presente grafica se representan los resultados de la escala hedónica considerando la descripción de textual de la escala.
GRAFICA DE ESCALA HEDONICA DE LA CONSISTENCIA DEL YOGURT
GRADO DE SATISFACCION DE LA CONSISTENCIA DEL YOGURT
La presente gráfica describe claramente que al 100% de los encuestados la consistencia del yogurt aflanado le produjo satisfacción. Y el 70% describió que era muy agradable.
3.24.
Perdida de la Calidad del Yogurt Aflanado Para determinar el deterioro del yogurt aflanado durante su almacenamiento se consideró una temperatura de 15°C, en función del promedio de las temperaturas de las exhibidoras de los pequeños distribuidores. Para ello se almacenó el yogurt aflanado durante 60 días registrando como una característica de la perdida de calidad el descenso del pH, en envases de vidrio (500ml.) con tapa de metal mas la adición de 0.0017% (p/v ) de un conservador fungistático. A continuación se presenta la relación matemática empírica del descenso del pH en función del tiempo durante su almacenamiento a 15°C, determinado por el método de mínimos cuadrados: MODELO: EMPÍRICO DEL DETERIORO Variable dependiente: pH
Metodo: Cuadratico
Coeficiente de Correlación Multiple R R Square Adjusted R Square Standard Error
.99616 .99233 .98850 .02311
ANÁLISIS DE LA VARIANZA: DF
Sum of Squares
2 4
.27654927 .00213645
Regression Residuals F =
258.88704
Signif F =
Mean Square .13827463 .00053411 .0001
El presente análisis estadístico establece al nivel de significación del 5% que el modelo de regresión es altamente significativo, es decir que el coeficiente de correlación es diferente de cero.
-------------------- CONTRASTE DE LOS COEFICIENTES -------------------Variable
B
DIAS DIAS**2 (Constant)
SE B
-.026090 .000292 4.411031
Beta
.001693 2.8920E-05 .021174
T
-2.404411 1.574933
-15.412 10.095 208.325
El presente análisis estadístico establece al nivel de significación del 5% que los coeficientes del modelo de regresión son altamente significativos, es decir que los coeficientes influyen en la variable dependiente. Por tanto, el modelo matemático empírico es el siguiente:
μpH = 0.00292 t2 – 0.026090 t + 4.411031
Gráfica 37 CURVA DE VARIACIÓN DE LA ACIDEZ DURANTE EL ALMACENAMIENTO upH EN FUNCION DEL TIEMPO YOGURT AFLANADO ALMACENADO A 15°C 4.5
VARIACION DE ACIDEZ(u pH )
4.4
4.3
4.2
4.1
4.0 MODELOS 3.9 MODELO OBSERVADO
3.8
MODELO CUADRATICO
0
5
10
15
20
25
30
35
40
TIEMPO DE ALMACENAMIENTO(DIAS)
45
50
55
Sig T .0001 .0005 .0000
A partir de la relación de variación del pH en función del tiempo determinamos
la
cinética
de
acidificación
durante
el
almacenamiento:
μpHl = 0.00584 t – 0.026090 De esta relación de la cinética de deterioro podemos determinar a partir de la ecuación básica para predecir la pérdida de la calidad de los alimentos, la función de primer orden y por el método de mínimos cuadrados para una regresión exponencial determinamos la constante (k) de velocidad de deterioro. El modelo exponencial determinado a partir de la relación entre la variación de la calidad residual (%) en función del tiempo (dias) de almacenamiento, es el siguiente: μ(%) Calidad Residual = 97.24999 EXP (-0.002372 * t) donde: K = 0.0023 μ% Calidad Residual / por dia Es decir que pierde 0.023 μ% de calidad por dia.
Gráfica 38
DEGRADACION DE PRIMER ORDEN ;n = 1 CALIDAD RESIDUAL EN FUNCION DEL TIEMPO ALMACENAMIENTO DEL YOGURT AFLANADO A 15°C 100
98
CALIDAD RESIDUAL(%)
96
94
92
90
88
MODL. 1° ORDEN
86 MODELO EXPONENCIAL
84 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
TIEMPO DE ALMACENAMIENTO(DIAS)
La siguiente gráfica representa la relación exponencial de la calidad residual (%) en función del tiempo (dias).
Fig. 12
Fig.13
CAPITULO IV.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS La discusión de resultados se realizará por comparación de investigaciones preliminarers afines y generales que observarón alguna característica en determinadas condiciones que nos permiten realizar un símil desde lo general hasta lo partícular con nuestra investigación. Aun cuando la variación de algunos de los factores en estudio derivaría en un resultado diferente.
4.1
¿Por qué existen diferencias en la cinética de acidificación? La temperatura de incubación o de fermentación condiciona la proporción de la cepas del cultivo de yogurt y por tanto las características que se desee en el producto final (Romero, 1988). Durante la fermentación el crecimiento del S.thermophilus es mas rápido que el de L.bulgaricus, en lo que respecta a la producción de ácido. (Tamime & Robinson, 1991). El comportamiento del S.thermophilus incubada sobre una leche desnatada con 10% de EST. Con una tasa de inoculación del 2%, con respecto a la producción de ácido es máxima cuando la temperatura
de
incubación
es
de
40°C
y
menores
para
temperaturas de 35°C, 30°C y 50°C respectivamente (Tamime & Robinson, 1999). El comportamiento del L.bulgaricus incubada sobre una leche desnatada con 10% de EST. Con una tasa de inoculación del 2%, con respecto a la producción de ácido es máxima cuando la temperatura de incubación es de 45°C y menor para temperaturas de de 50°C, 40°C, 35°C y 30°C, respectivamente (Tamime & Robinson, 1999).
El comportamiento de cepas mixtas (1:1) incubada sobre una leche desnatada con 10% de EST. Con una tasa de inoculación del 2%, con respecto a la producción de ácido es máxima cuando la temperatura de incubación es de 45°C y menor a temperaturas de 40°C, 50°C, 35°C y 40°C respectivamente (Tamime & Robinson, 1999). Las tendencias observadas de la tasa de acidificación para las cepas de cultivo de yogurt pura y mixta incubadas a diferentes temperaturas en leche desnatada (10% de EST). Inoculadas al 2% se observan relaciones matemáticas empíricas polinomiales para cepas puras de S.thermophilus y cultivos mixtos y relaciones exponenciales para cepas puras de L. bulgaricus (Tamime & Robinson, 1999). Un yogurt que contiene mas de 70% de ácido L.(+) láctico ello indica que a sido inoculado con un cultivo consistente principalmente de S.termophilus o que la fermentación de se a desarrollado a temperaturas inferiores a los 40°C (Tamime & Robinson, 1999). Si el yogurt contiene más ácido D(-) Láctico que L(+) Láctico ello indica: que ha sido incubado a una temperatura demasiado alta es decir, de 45°C o superior, que el inoculo fue superior al 3% o bien que el cultivo contenía mas bacilos que cocos; el producto a alcanzado una acidez muy alta (Tamime & Robinson, 1999). La relación en 269 muestras de yogurt comercial entre L(+) : D (-) oscilaba de 0,34 (en los productos muy ácidos) a 8.28 (es decir con claro predominio de la forma L(+) (Puhan, 1974, citado por Tamime & Robinson, 1999).
Blummenhal y Helbling (1974) han propuesto que para un yogurt “De buena calidad” el valor del cociente debería ser 2, para la relación L(+) : D(-). Sin embargo estas aproximaciones son validas en consideración de las características de acidez que debe tener el yogurt, es decir, dulce o de baja acidez
o acido o de
elevada acidez que el yogurt deberá presentar una relacion de L(+) : D(-) baja
y en caso contrario unas relación alta (Tamime &
Robinson, 1999). Por tanto la temperatura de fermentación y la concentración del inoculo determinan diferencias en la tasa de acidificación. En nuestra investigación obtuvimos modelos matemáticos empíricos de una relación no lineal polinomica cubica.
4.2
ESTABILIDAD DEL COÁGULO ¿Influencia la cinética de acidificación sobre la estabilidad y la consistencia del coágulo? El acido láctico contribuye a la desetabilización de la micelas de caseína por el paso del fosfato y del calcio de un estado coloidal en la micelas a una forma soluble que se difunde en la fracción acuosa de la leche lo que determina una progresiva salida del calcio de las micela que conduce a la precipitación de las caseínas a valores de pH de 4,6 a 4,7 dando lugar a la formacion del gel que constituye el coagulo del yogurt (Tamime & Robinson, 1999). A pH 5,2 el calcio y el fosfato se encuentran principalmente en forma soluble y el tamaño de los complejos micelares aumenta a partir de la concentración del mismo en la fraccion acuosa de la leche, (Scott, 1991). La acidificación de la leche provoca la destrucción de las micelas sin fraccionar la caseínas cuya precipitación es total hacia
el pH 4,7.
La caseína isoelectrica esta completamente exenta de
calcio y no contiene mas que fosforo proteico (Alais, 1996) Si la acidificación se desarrolla progresivamente en el medio, se forma un coagulo homogéneo a causa de la fermentación (Alais, 1996). Los efectos de la acidez y del calor se suman. La floculación de la caseína tiene lugar a un pH tanto más elevado cuanto más alta es la temperatura (Alais, 1996). La velocidad de acidificación es importante para la formación de la red del coagulo del yogurt ya que la rapida producción de acido da lugar a la precipitación. (Varnam & Sutherland, 1995). La acción de las enzimas proteoliticas tiene un efecto perjudicial sobre el coagulo del yogurt. El coagulo tiene una menor capacidad de retención de agua y grado de hidratación (Varnam & Sutherland, 1995). Por tanto la cinética de acidificación determina la estabilidad y la viscosidad del coágulo. En nuestra investigación se determinó que se obtenía la maxima estabilidad para las fermentaciones a 39ºC y como, también para la fermentación a 41ºC y con 1% de inóculo.
4.3
ESTABILIZACIÓN y MAYOR CONSISTENCIA DEL COÁGULO ¿Se puede estabilizar e incrementar la viscosidad del coágulo con la adición de ingredientes funcionales? En el yogurt con una mezcla de gelatina, almidon y pectina, se puede observar una micro estructura homogénea con poros pequeños que facilitan la inmovilización de grandes cantidades de agua. (Henning, 1992)
La fuerza de las cadenas entre las particulas de cseina, asi como el estado de agregación y interaccion entre las proteinas de la leche y los ingredientes funcionales tienen relacion con la viscosidad, suavidad y sinéresis del yogurt. (Henning, 1922). Los ingredientes funcionales o estabilizantes para el yogurt estan basados en pectinas de bajo metoxilo, proteinas de leche, gelatinas y almidones modificados, tambien se usan gomas o hidrocoloides (Henning, Pauletti, et al.,, 2003). Las estructuras a bases de partículas, (tales como granulos de feculas, compuestos por la amilosa y amilopectina) o proteinas desnaturalizadas que no forman lazos suficientemente fuertes, contribuyen a la viscosidad del producto y a su palactibilidad (O’Donnell, 1999). Los granulos de fécula modificada pueden interactuar con la gelatina. (Leatherhead, 1999). En el caso del yogurt reforzado con leche descremada en polvo, se puede observar una estructura formada por racimos relativamente grande de proteínas de leche. El mismo yogurt pero con gelatina y sin refuerzo con leche descremada, se puede observar que la gelatina hace conexión entre los racimos de proteina de leche y como consecuencia se obtiene una red relativamente homogena. (Henning, 1992). En el yogurt con pectina, se observa una estructura compuesta de racimos de diferentes tamaños, en cambio en el yogurt con almidon, la estructura esta formada por racimos relativamente pequeños y compactos. Los granulos de almidon se
encuentran incrustados en la estructura de las proteinas de la leche. (Henning, 1992). Por tanto, los ingredientes funcionales producen diferentes características que varian de acuerdo con el tipo de ingredientes, la dosificación y combinación de los mismos, su interaccion entre ellos y con los constituyentes del yogur. En nuestra investigación, la adición de una mezcla de gelatina, pectina de bajo metoxilo y goma arabiga (Supergelact) al yogur aflanado en un porcentaje de 0,8% determinó maxima viscosidad y gran estabilidad.
4.4
COMPORTAMIENTO REOLOGICO ¿Existe umbral de fluencia y pseudo plasticidad en el yogurt aflanado? Los fluidos pseudo plásticos se caracterizan porque su viscosidad aparente decrece cuando aumenta el gradiente de velocidad (Sherman, 1970). Los fluidos pseudo plásticos se caracterizan porque su indice reologico es mayor de 0 pero menor que 1. (Carbonell et al, 1990). Los cuerpos que no se derraman bajo el efecto de su peso, necesitan que una presion sobrepase un umbral para que comience el flujo. (Cheftel, et al, 1983). Los fluidos plasticos son aquellos que no fluyen hasta que son sometidos a un esfuerzo cortante limite determinado, llamado esfuerzo de formacion plastica o umbral de fluencia. (Van Wazer, et al, 1963). El umbral de fluencia puede ser consecuencia de un entrelazado de moléculas o particulas debido a su gran tamaño, ramificaciones o forma irregular, tambien puede ser debida
ala
formación de redes, provocadas por las interacciones entre moléculas. (Rha, 1978). El comportamiento pseudo plastico puede explicarse por los siguientes fenómenos:
- Orientación progresiva de las moléculas en la dirección del deslizamiento, reduciendo asi la resistencia debido a las fuerzas de friccion.
- Deformación de la esfera de hidratación que rodea la proteina en la dirección de deslizamiento (si la proteina esta fuertemente hidratada y dispersa).
- Rotura de los enlaces de hidrógeno y otros enlaces debiles provocando asi la disociación de los agregados o de la red proteica. En todos los casos se reduce el diámetro aparente de las moléculas en la dirección del deslizamiento. (Cheftel, et al, 1989). Por tanto el yogurt, por ser un coagulo de proteina presenta un comportamiento pseudo plastico y con umbral de fluencia. Que en nuestro yogur determino un comportamiento de fluido plástico modelo Herschel-Bulkley.
4.5
CINÉTICA DE DETERIORO ¿Corresponde a una ecuación basica de primer orden de la perdida de la calidad alimenticia, el yogurt aflanado? La perdida de la calidad de los alimentos durante los primeros dias de almacenamiento es progresiva y al final se hace lenta y constante, demostrando una relacion exponencial d ela
característica observada y el tiempo de almacenamiento. (Núñez & Chumbiray, 1991). Los tipos de deterioro que sirven el primer orden, es decir, n=1, para algunos alimentos son: la rancidez, crecimiento microbiano y mortalidad, pérdidas de vitaminas, perdidas de calidad proteica y producción microbiana de sabores. (Nuñez & Cumbiray, 1991). Por tanto, el deterioro del yogurt aflanado observado por la variación del pH que depende del crecimiento microbiano corresponde a una ecuación de deterioro de primer orden. En nuestro caso se obtuvo una cinética de deterioro de primer orden por el método.
CAPITULO V.- CONCLUSIONES A la concentración de 1% del inóculo, el valor de la acidez alcanzado hasta la mitad del proceso (valor de la mediana) para todas las temperaturas de fermentación prefijadas en la presente investigación son similares. Encontrandose también con respecto a la mediana que las concentraciones al 1% del inóculo para las tres temperaturas
consideradas
tienen
una
menor
cinética
de
acidificación. Los modelos matemáticos empíricos determinados por el metodo de mínimos cuadrados para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis muestran una relación polinomial cúbica. Los modelos matemáticos determinados para la cinética de acidificación para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis muestran una relación polinomial cuadrática. Los modelos matemáticos determinados para la razón de cambio instantánea de la cinética de acificación para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis muestran una relación lineal. Para el predictor cinético de velocidad máxima
para las
nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis, se deteminó diferencias al 5% de significación influenciadas por el factor concentración de inóculo. Para el predictor cinético del tiempo transcurrido en la fermentación
hasta
la
fase
estacionaria
para
las
nueve
fermentaciones consideradas en la presente tesis, se deteminó diferencias al 5% de significación influenciadas tanto por el factor temperatura de fermentación y como también de concentración de inóculo.
Para el predictor cinético de fase de latencia para las nueve fermentaciones consideradas en la presente tesis, se deteminó que no había diferencias al 5% de significación tanto por el factor de temperatura de fermentación y de concentración de inóculo. Existen diferencias significativas al nivel de significación del 5% para establecer que la cinética de la acidificación para las nueve fermentaciones, al considerarse la velocidad promedio obtenida después de, las cuatro, tres, dos y
una horas de
fermentación. Están influenciadas con alta probabilidad estadística por la variación de la concentración de inoculo; sin dejar de considerar que pudiesen estar influenciadas también, por el factor de temperatura. El tiempo transcurrido hasta alcanzar el mayor declive del pH (fase estacionaria) muestra diferencias significativas al 5% tanto para el factor de concentración de inoculo como para la temperatura de fermentación siendo este un predictor consistente para establecer las diferencias significativas entre las nueve fermentaciones. Encontrándose los tiempos máximos para las fermentaciones a 43°C, 41°C y 39°C., con 1% de inoculo respectivamente. Con respecto a la consistencia del yogurt de las nueves fermentaciones presentadas en la presente tesis se determinó diferencias significativas entre los valores de la viscosidad newtoniana equivalente (VNE) por efecto del factor de temperatura por su alta probabilidad de influenciar en las diferencias, sin dejar de considerar que pudiesen que estas mínimas diferencias esten también influenciadas por el factor de concentración del inoculo, influenciando la variabilidad de la VNE. Se encontrarón las más altas viscosidades (VNE) para las fermentaciones realizadas a 39°C, y todas sus concentraciones de
inoculo como también para la fermentación a 41°C. con 1% de inoculo. Con respecto al grado de sinéresis para las nueves fermentaciones consideradas se determinó diferencias significativas al 5% de significación entre los valores obtenidos para el grado de sinéresis, por efecto del factor temperatura por su alta probabilidad estadística de influenciar en los resultados del grado de sinéresis. Se determinó que la fermentaciones realizadas a 39°C, con todas
las
concentraciones
del
inoculo
y
también
que
la
fermentación a 41°C con 1% de inoculo presentaron el menor grado de sinéresis. Determinamos que las fermentaciones que produjeron la mejor
coagulación, es decir alta viscosidad y menor grado de
sinéresis eran las de: o A una temperatura de fermentación de 39°C. con todas las concentraciones de inoculo consideradas en la presente tesis; o Y a la temperatura de fermentación de 41°C, con 1% de concentración del inoculo. Se determinó un modelo matemático empírico cuadrático para relación de las varibles en estudio, concentración
del
estabilizante (Supergelact) y grado de sinéresis, de pendiente negativa, es decir, que conforme se incrementaba el porcentaje de ingrediente añadido al yogur el grado de sinéresis disminuía. Se determinó un modelo matemático empírico cúbico para relación de las varibles en estudio, concentración del estabilizante (Supergelact) y viscosidad newtoniana equivalente (VNE), de pendiente positiva, es decir,
que conforme se incrementaba el
porcentaje de ingrediente añadido al yogur el valor de la VNE se incrementaba. Determinamos que la concentración del 0,8% (p/v) del estabilizante “SUPERGELACT”, para estabilizar el yogurt aflanado elaborado a una temperatura de fermentación de 41°C. y con una concentración de inoculo del 1%, formo un mejor coágulo en el yogurt traduciéndose en el menor grado de sineresis (0%) y la más alta viscosidad o lo que es lo mismo estabilidad y alta consistencia. Con respecto a la caracterizacion reométrica del yogurt aflanado elaborado a una temperatura de fermentación de 41°C con una concentración de inoculo de 1% y adicionado de 0,8% de Supergelact. Se determinó que para las tres temperaturas observadas (12°C, 15°C y 22°C), respecto de su deformación de flujo e independientemente del tiempo un comportamiento de “Fluido Plastico”, modelo Herschel–Bulkley. Que el indice reológico aumenta conforme se incrementa la temperatura. El coeficiente de consistencia decrece conforme aumenta la temperatura, es decir el yogurt aflanado disminuye su viscosidad en función del incremento de la temperatura, para las tres temperaturas consideradas en la presente investigación de tesis. El umbral de fluencia disminuye en función del incremento de la temperatura, para el rango de temperaturas consideradas en la presente tesis. Se determinó que la temperatura tenía una gran influencia sobre la viscosidad aparente y el coeficiente de consistencia porque obtuvimos un valor alto en la energía de activación (Ea) igual a 82,5057 kJ / mol.
Del análisis sensorial del grado de satisfacción en escala hedónica con respecto a la característica de consistencia del yogurt aflanado, se determinó que al 100% de los encuestados le producía satisfacción y que el 70% describío su satisfacción como muy agradable. Para le perdida de la calidad del yogurt determinamos que seguía una relación básica para el deterioro de los alimentos de primer orden, estableciendo para la perdida de la calidad por dia una cinética de 0,023 μ% Calidad Residual / dia.
CAPITULO VI.- RECOMENDACIONES Realizar la cinética de acidificación no solo para el consumo del sustrato sino también para la reproducción celular. Determinar el tipo de ácido láctico producido en la fermentación L(+) o D (-). Realizar una investigación considerando otra relación de las cepas acido lácticas. Realizar una prueba descriptiva de análisis sensorial con un panel entrenado para observar la influencia de la cinética de acidificación sobre las características sensoriales del yogurt aflanado. Determinar el comportamiento reológico del yogurt aflanado con respecto al tiempo. Realizar un ensayo para determinar la textura del yogurt en función de la variación de las concentraciones del estabilizante Supergelact. Probar la estabilización del coágulo del yogurt con la adición de otros estabilizantes (goma de algarrobo, goma de linaza, goma tara, etc.). Realizar un análisis estadístico no paramétrico de la variación del pH o la acidez en función del tiempo. Determinar el comportamiento reométrico del yogurt aflanado durante el tiempo de la operación de fermentación. Determinar el comportamiento reométrico del yogurt aflanado en función del descenso del pH durante la operación de fermentación.
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