- P

... I

i

a CASEINA PARTIR LECHE EN -- POLVO DESCREMADA --- CON BAJO STD. COMERCIAL

P r o y e c t o i n i c i a l de S e r v i c i o S o c i a l .

Elaborado por:

/ Dominguez E r e j o Gui l l ermo Mart in.

P e r a l t a Jiménea Juan Car los .

Sthchea Ldpez Nes to r .

PROYECTO INICIAL.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

- Nombre de los alumnos participantes: 1 ) Domínguea Trejo Guillermo Martin.

2) Peralta Jiménez Juan Carlos.

3) Sánchea LÓpez Nestor.

- Teléfonos particulares: 1 ) 581-41-81

2 ) 516-L4-66

3) 680-43-45

- Matrículas: 1) 812288LO

2 ) 81229249

3 ) 813L6567

- Clave:

- Carrera: Ingeniería en Alimentos.

Trimestre: 87-1

- Horas/semana: 20 h/sem. por alumno (como mínimo).

- Lugar donde se lleva a cabo el proyecto: Planta piloto de la'cteos. UAM-I

- Fecha tie Inicio: I 9 d e Enero de 1987.

- Fecha de terminación: 20 de Julio de 1987.

- Tutor Interno: Ing. MÓnica Centeno Alvarez. Especialización en Productos Lácteos. Profesora Asociada de Teimpo Completo UAM-I

PROYECTO INICIAL.

.......................................................

- T í t u l o del p roy e c t o :

IOBTENCION DE CASEINA A PARTIR DE LECHE EN POLVO

DESCREMADA Y CON BAJO ESTANDARD DE CALIDAD.

- Firiaa de cada alumno p a r t i c i p a n t e :

2

3

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ING. MONICA CEN NO LVAREZ. w

OBTENCION DE CASEINA A P A R T I R DE LECHE EN POLVO DESCREMADA

Y CON BAJO ESTANDARD COMERCIAL.

Desde hace v a r i o s años, l a producc ión de l e c h e f l u f d a en MÉ-

x i c o ha s i d o i n f e r i o r a l a s neces idades r e a l e s de l a poblac ión.

Es t e problema se ha i d o agravando con e l t iempo y ha hecho ne c e sa r i a

l a importac i6n d e grandes volúmenes de l e c h e en p o l v o - en t e r a y

descremada - l a c u a l es pos t e r i o rmente r eh i d r a t ada para su venta .

México, a t r a v é s de l a Comisión Nac i ona l de Subs i s t enc i a s Po-

pu l a r e s (CONASUPO), compra l e c h e en p o l v o a Canadá, Reino Unido,

Nueva Zelanda. I r l a n d a , Holando y E.U.A. En 1985, CONASUPO compró

145,000 t one l adas de l e c h e en po l v o a l o s p a í s e s an t e s c i t a d o s - ( I n f o rmac ión E s t a d í s t i c a , 1986). y has ta J u l i o de 1986 ya se habían

importado 105,000 t one l adas d e e s t e producto ( I n f . Est.,1986).

E l t r a n s p o r t e y manejo de e s t a enorme cant idad de l e c h e en - POLVO t r a e como consecuencia mermas importantes , p o r contaminación

d e l producto, deb ido a l a ruptura o p e r f o r a c i 6 n d e l o s sacos.

Actualmente, e s t a l e c h e con b a j o estandard comerc i a l , no ap t a para

e l consumo humano, se ad i c i ona a l o s f o r r a j e s y se d e s t i n a a l con-

sumo animal.

La na tu ra l e z a d e l p r e s en t e p r o y e c t o , es l a de una i n v e s t i g a -

c i ó n ap l i c ada y t i e n e po r o b j e t o e l e s t a b l e c e r los pasos de un p r o

ceso económico para l a e x t r a c c i ó n de caee ína a p a r t i r de l e c h e -- f u e r a d e norma y e l proponer p o s i b l e s u s o s d e l suero de l e c h e que

se obtendrá como un subproducto en el proceso a n t e r i o r .

E l t r a b a j o expe r imenta l i n c l u y e l a ob t enc i ón de c a s e ína me-

d i a n t e un p roceso a n i v e l de p l a n t a p i l o t o y l o s c á l c u l o s necesaros

para su p o s t e r i o r e sca lamien to i n d u s t r i a l . E l e s t ab l e c im i en t o d e

e s t e método de e x t r a c c i ó n en l a i n d u s t r i a p e r m i t i r í a r educ i r , en

forma s e n s i b l e , l a s pé rd idas económicas que actualmente s e t i e n e n

po r concepto d e l e c h e f u e r a de norma.

,.’. -- c

- c

L

c

- c

L- - .- c

- r - -

INTRODUCCION.

-General idades.

E l grupo d e l a s c a s e ínas - l lamado case ína e n t e r a o Hammarsten

- comprende un conjunto de p r o t e í n a s f o s f o r a d a s que se encuentran

como un componente na tu ra l de l a l e c h e , y l a s cua l e s f l o c u l a n a pH

4.6 o po r l a a c c i ó n de enzimas e s p e c í f i c a s como e l cuajo.

cant idad r ep resen tan e l complejo de p r o t e í n a s mas importante de l a

l e c h e y apo r tan e l 75 % d e l n i t r ó g eno t o t a l de l a misma. (Santos.

1982).

P o r su

La can t idad de c a s e h a en l a l e c h e v a r í a según l a e spe c i e .

En e l caso de l e c h e d e vaca, e l con ten ido d e case ína se mod i f i c a

con l a r a za , l a e tapa d e l a c t a c i ó n y l a hora de ordeña, pero en

g e n e r a l r ep r e s en t a de 2.5 a 3.0 % de l a l e c h e f l u í d a , e s t o e s de

24 a 29 g/l. (Southward &Walker,1980).

P o r medio de u l t r a c e n t r i f u g a c i ó n pr imero y mas t a r d e po r e-

l e c t r o f o r é s i s , se pudo comprobar que l a case ína e s una p r o t e í n a - he te rogénea formada po r v a r i a s f r a c c i o n e s : m 939, M i l l ande r l o -

gró separa r l a case ína e n 3 componentes, que e l denominó case ína

a l f a . b e t a y gamma, y que r ep resen tan - r espec t i vamente - e l 65.

30 y 5 de l a c a s e ína en t e ra . Pos t e r i o rmente - en 1955 - Von

H i p p e l y Waugh encontraron que l a a l f a - c a s e í n a está formada po r 2

f r a c c i o n e s : l a a l f a - s - c a s e ína y l a kappa-caseína. en e l cuadro 1

s e resumen l o s conoc imientos que se t i e n e n sobre l a composic ión de

l a case ína.

De t odas l a s f r a c c i o n e s señaladas en el cuadro 1 , l a s mas i m -

p o r t a n t e s para d e f i n i r l a e s t ruc tu ra de l a case ína son:

Caseína en t e r a ............ 100 %

a ) a l f a - s - c a s e ína ......................... 40%

b ) kappa-caseína .......................... I 5 %

F 1 G. NO. 1

1 9 . I - - .

c ) Beta-case ína ................... 30 %

d ) gamma-caseína .................. 15 $

Estos componentes se d i s t i n g u e n e n t r e s í por l a s o l u b i l i d a d

de sus s a l e s i e C a l c i o y po r s u contenido de f ó s f o r o : l o s grupos

a l f a - s , b e t a y kappa t i e n e n 1. 0.6, y 0.2% de f ó s f o r o r e s p e c t i v a

mente. Además. l a kappa-caseína es l a Única f r a c c i ó n que t i e n e

c a rboh id ra t o s en su composic ión y l a que muestra mayor s o l u b i l i -

dad como kappa-caseinato de C a l c i o .

- Mice las .

La c a s e ína r ep r e s en t a e l 78% d e l a s p r o t e í n a s t o t a l e s d e l a

l e che . Se encuentra - c a s i en s u t o t a l i d a d - en p a r t í c u l a s c o l o i -

d a l e s mas o menos e s f é r i c a s l lamadas m ice l as . Es tas m i c e l a s tie nen un d iámetro e n t r e 400 y 2800 A ; 1.200 A como promedio.

Además de l a case ína , l a s m i c e l a s con t i enen C a l c i o y o t r o s

m ine ra l e s , y en c o m n t o se denominan case ína n a t i v a . La compo-

s i c i ó n promedio de l a c a s e ína n a t i v a s e muestra en l a t a b l a #1:

TABLA 1 COMPOSICION MEDIA DE LAS MICELAS DE CASEINA

(Según Ford, 1955 )

Cons t i tuyen te g / i i t r o % cas e ína n a t i v a ( g )

Caseína 26.00 94.0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C a l c i o o. 80 2.9

Magnes i o 0.04 0.1

F ó s f o r o o r g á n i c o o. 22 0.8

F ó s f o r o i n o r g á n i c o 0.38 1.4

C i t r a t o ( en ac. c í t r i c o ) 0.15 0.5

Fuente: Santos Moreno, Armando. 1982. Bioauímica de l a l e che .

Cabe mencionar que una pequeña f r a c c i ó n de l a case ína. 5 a

10%. se encuentra normalmente como case ína s o l u b l e en e l l a c t o -

suero. La can t idad de case ína s o l u b l e v a r í a con l a concen t rac i ón

de Calcio: a mayor concentración de iÓnes calcio se observa una

disminución de la caseína soluble y un aumento de caseína mice-

lar.

calcio toda la caseína se encuentra en e l interior de las mice-

las. Por otro lado, el iÓn fosfato actúa en forma inversa: una

alta concentración de fosfato inorgánico origina la formación

de caseína soluble.

Cuando se alcanza una concentración de 3.2 a 4.0 g/i de

- Modelos Micelares. Para explicar e l comportaniento de las micelas y l o s cam-

bios que ocurren durante el cuajado de la leche -ya sea por al canzar el punto isoeiéctrico (pH=4.6) o por la acción enzimáti-

ca- se han propuesto varios modelos de la estructura micelar:

1) En 1965. Waugh & Noble propusieron un modelo en el que la

micela está formada por un núcleo cen-tral de caseínas sensibles

al cnl-ia -alfa s y beta caseína - rodeado por una capa de k-ca-

seinato de calcio (soluble). Este modelo permite explicar la

acción de la quimosina sobre la k-caseína en una micela compacta

(Fig.1).

2) Charles Alais propone un modelo en e l que las diferentes

fracciones de caseína están mezcladas entre s í , y solamente una

parte de ellas está expuesta a la acción del cuajo (Fig.2).

3 ) Ribedeau-Dumas y Garnier, en 1969, propusieron un modelo

de una micela ramificada con k-caseína en las zonas modulares y

en e l que todas las fracciones están expuestas a l a acción de la

quimosina (Fig.3).

4) En 1969, Rose establece un modelo donde la k-caseína ro- dea a la micela y estabiliza la mayor parte del fosfato de cal-

cio.

la k-caseína y con la naturaleza liofflica del complejo e0bLaa1

(Fie;.&).

Este modelo es compatible con la acción del cuajo sobre

FIG. 1

F I G, NO. 2

-s - A- 4 - 50 %

FIG 3

35%

FIG. NO 4

- Coagulación de la leche. Como ya se había mencionado, la caseína se encuentra en for

ma de partículas coloidales. Tanto en la manufactura de quesos

como en l o s procesos para la obtención de caseína es necesario

desequilibrar el sistema coloidal de la leche para lograr la - floculación de la caseína. Por esta razón resulta conveniente

revisar los factores que permiten la estabilidad de la suspen-

sión a s í como l o s principales motivos de inestabilidad en las

micelas de caseína.

La caseína nativa se encuentra en suspensión en la leche de

bid0 al movimiento browniano y a la presencia de cargas negativas.

Estas cargas s e deben a l o s grupos carboxflicos libres, del ácido

f0sfÓrico.y ácido siálico, que se encuentran en la superficie de

la micela y que son responsables de la misma, es decir, de su es

tabilidad. Si estas cargas son neutralizadas s e produce aglome-

ración de las micelas y su consecuente precipitación.

Las principales causas de inestabilidad micelar son:

a) Calentamiento a temperaturas elevadas. Por arriba de 100

C la caseína se precipita por desnaturalización de las proteínas.

b) Beutralización de las cargas negativas de las micelas - por medio de una elevada concentración de iÓnes metálicos como - el

ca

Ya

de

de

Calcio.

c) Precipitación isoeléctrica d e la caseína. La leche freg

tiene un valor pH cercano a la neutralidad. Si s e baja el pH,

sea por la adición de ácidos minerales o mediante el desarrollo

una fermentación láctica, hasta alcanzar el punto isoeléctrico

la caseína (pH+L.6) esta floculará. En la acidificación se pre

senta destrucción de las micelas y salida de calcio al lactosuero.

Por esta razón, la caseína resultante contiene fósforo, pero no

contiene calcio.

d ) P r e c i p i t a c i ó n de l a s n i c e l a s po r l a a c c i ón de p ro t easas ,

p r i n c i pa lmen t e cuajo. E l cua jo en l a l e c h e t r a b a j a con un pH - muy a l e j a d o d e su v a l o r Óptimo y s e ha comprobado que su a c c i ó n

es muy e s p e c í f i c a ; sólamente actúa sobre l a k-caseína. E l cua-

j o remueve una f r a c c i ó n de l a k-case ína que c o n t i e n e á c i do s i & -

l i c o y e l ca rboh id ra to . E l p é p t i d o r e s i d u a l r e c i b e e l nombre de

k-paracaseína y no d i spone d e l poder e s t a b i l i z a n t e de l a k-case-

ína . P o r e s t a razón, l a s m i c e l a s comienzan a un i r s e mediante

f i b r i l l a s has ta formar una r ed t r i d i m e n s i o n a l que a t r apa g rasa y

suero , y l a cua l p r e c i p i t a po r s u gran peso.

Es i n t e r e s a n t e d e s t a ca r que l o s e f e c t o s a n t e r i o r e s no son

independ i en t es . Así, por e jemplo , e s p o s i b l e l o g r a r l a coagula-

c i ó n modi f i cando e l pH, pero s i n l l e g a r a l punto i s o e l é c t r i c o ,

s i también e levamos l a temperature o la concen t rac i ón de c a l c i o .

E x i s t e una gran d i v e r s i d a d en l a s combinaciones p o s i b l e s para lo

g r a r

-

í n a :

l a p r e c i p i t a c i ó n de l a case ína.

Métodos de ob t enc i ón de case ína.

E x i s t e n 2 p roced im ien tos bás i c o s para l a ob t enc i ón de case-

1 . A c i d i f i c a c i Ó n has ta a l c anza r e l PH i s o e l é c t r i c o . Esto se 10 g r a con l a a d i c i ó n de á c i d o s m ine ra l e s o po r e l d e s a r r o l l o de una

f e rmentac i ón i á c t i c a .

11. Tratamiento con cuajo (método en z imá t i c o ) , s e produce l a c o a

g u l a c i ó n y se o b t i e n e pa racase ina to de c a l c i o .

Con base en e l método de ob t enc i ón u t i l i z a d o , e l producto f i

n a l se denomina ca s e ína á c i d a y case ína a l cua j o , respect ivamen-

t e .

En l a f i g u r a 5 se muestran, de manera esquemática. los p r o c e

Una v e z que l a cua- so s e x i s t e n t e s para l a ob t enc i ón de case ína.

j ada ha p r e c i p i t a d o y ha s i d o separada d e l suero entonces se

I

FIG 5

1-1

pU”- 4.6 I I

O. 5-1 .O */o +

procede a realizar una serie de lavados para remover la lactosa y

los minerales atrapados en la misma.

sado o centrifugado y por Último a un secado.

muestran l o s pasos para la separación y procesamiento de la ca-

seína.

Después se somete a un pren-

En la figura 6 se

Para el método de fermentación láctica se inocula la leche - con bacterias tales como & cremoris. Lactobacillus bulaaricus y otros.

total de leche a procesar.

a una temperatura de 25-30 C.

reducir sensiblemente al aumentar la temperatura (25-40 C ) y/o el

volumen de irtóculo (24%).

El volumen de inóculo representa de 0.5 a 1 % del volumen

La incubaciór se realiza de 16 a 18 h

El tiempo de incubación se puede

Para obtener casefna ácida mineral, se adiciona una solución

1.4 N de HC1 o H2S04 hasta alcanzar un pH proximado de 4.6.

se calienta la mezcla a una temperatura de 50 - 55 C.

Después

El método enzimático se inicia con la adición de cuajo a la

leche descremada, en proporción 1 /7000 - 1/10.000 y a una tempera

tura de 35-37 C. La coagulación tarda de 20 a 30 minutos. Es - conveniente aumentar la temperatura, pero sin exceder los 65 C.

Conviene señalar que si ia caseína ai cuajo va a ser utiliza-

da con fines industriales, entonces no es recomendable la paste-

rización de la leche; ya que se ha comprobado (Munro et a1.,1980)

que la pasterización ocasiona un obscurecimiento de l o s plásticos

caseínicos.

- Aplicaciones de la caseína. La caseína obtenida por cada uno de los métodos antes mencio-

nados tiene características y u s o s particulares.

nes de la caseína pueden clasificarse en 2 grandes grupos: usos

industriales y en la elaboración de productos comestibles (con-

sumo humano).

Las aplicacio-

F I G. NO. 6 OPERACIONES DE LAVADO 'f

SECADO DE CASEINAS

I CUAJADA I

Entre los principales USOS industriales de la caseína se en-

cuentran los siguientes:

- Adhesivos para madera. En este caso hay que adicionar - calcio a la caseína para obtener un pegamento repelente al agua,

y el cual es muy utilizado en la unión de laminados de madera.

Estos laminados se usan para hacer cajas de embarque.

Los pegamentos caseínicos se comercializan en 2 formas: pe-

gamentos preparados en polvo - sólo requeiren de la adición de - agua para su uso - y mezclas que se preparan de acuerdo a usos - particulares. Todos estos pegamentos reqqieren de la presencia

de un álcali para solubilizar la caseína.

- Recubrimientos para cartón y papel de alta calidad. De-

bido a la alta viscosidad que presentan las soluciones de caseína,

el proceso de recubrimiento resulta muy lento. Este problema se

resuelve por la adición de urea o dicianamida; sustancias que

actúan como modificadores de la viscosidad.

-Plásticos - caseínicos para la fabricación d e botones y objetos

imitación marfil.

- Impermeabilización de telas y papel. La aplicación de una

película de caseína permite que el material recubierto sea repele2

te al agua, aceites. solventes, etc.

- Elaboración de pegamentos de contacto para etiquetas de bo- tellas, cajetillas de cigarros, cabezas de cerillos, etc.

- Elaboración de fibras sintéticas. En 1935, en Italia,

Ferreti perfecdionó un proceso llamado Lanital; el cual permite

obtener fibras de caseína para la industria textil. Estas fibras

asemejan a la lana y tienen la ventaja de no encoger con el la-

vado.

- F a b r i c a c i ó n de p in turas . Durante muchos años, l a case ína

ha s e r v i d o como un v e h í c u l o para e l pigmento en p in tu ra s con ba-

s e acuosa.

s i f i c a n t e en p in turas de a c e i t e .

También se u t i l i z a como un agen te e s t ab i l i z an t e/emu l -

- Tratado de p i e l e s . La case ína s e u t i l i z a , en combina-

c i ó n con o t r a s sus tanc ias como los a c r i l a t o s , en e l proceso de - acabado de l a s p i e l e s . Es d e c i r , en e l terminado f i n a l que t en-

d rá e l producto.

- Productos balanceados para consumo animal. La case ína , en

l a forma de casa ina tos , s e u t i l i z a como un suplemento n u t r i c i o n a l

en a l imentos para ganado y en comidas para mascotas. Generalmen-

t e , r ep r e s en t a de un 3 a un 30 % d e l peso d e l a l imento (burkwal l .

y co l . , 1976; Balaz , 1977).

- Otros usos de l a case ína en l a i n d u s t r i a son: como ag en t e

e m u i s i f i c a n t e en a s f a l t o y f o i o i i t o g r a f í a ; como un agen te r e f o r -

zan te en e l hule ; en l a e l abo ra c i ón de cosmét icosy como un agente

c l a r i f i c a n t e en v i n o s y c e r ve zas . Recientemente s e ha mencionado

(Anon. 1979) que l a case ína s e puede usar para l a e x t r a c c i ó n y r e -

cuperac ión de meta les pesados a p a r t i r de m a t e r i a l e s de desecho de

d i f e r e n t e s i n d u s t r i a s .

S i l a case ína s e va a d e s t i n a r para consumo humano, entonces

s e debe cu i da r que l a l e c h e sea de buena c a l i d a d m i c r ob i o l ó g i c a .

Además, en e s t e caso l a case ína s e debe obtener por a c i d i f i c a c i ó n

na tu ra l ( l á c t i c a ) o por l a a c c i ó n de cua jo , pero no c on l a a d i c i ó n

d e á c i do s minera les .

S i s e c a l i e n t a l e c h e descremada a 85-95 C s e induce l a forma-

c i ó n d e un comple jo e n t r e l a case ína y l a s p r o t e í n a s d e l suero,

p r i n c i pa lmen t e con l a B - l ac tog l obu l ina . E s t e complejo s e coagula

disminuyendo e l pH o b i e n po r l a a d i c i ó n de s a l e s de c a l c i o y - r e c i b e e l nombre de c op r e c i p i t ados .

Tanto l a c a s e ína como l o s c o p r e c i p i t a d o s son i n s o l u b l e s en

agua, pero se d i s u e l v e n en una s o l u c i ó n a l c a l i n a - de h i d r óx i do

de p o t a s i o , c a l c i o , sod io . e t c . - y forman case ina tos . S i l a ca-

s e í n a se obtuvo po r l a a c c i ón cle cua jo , entonces s e r e q u i e r e un

pH mas a l t o (pH 9 .0 ) y l a p r e s enc i a de f o s f a t o s para l o g r a r su - s o l u b i l i z a c i ó n .

Los cas e ina t o s y los c o p r e c i p i t a d o s t i e n e n una a p l i a u t i l i -

z a c i ón en l a i n d u s t r i a de a l imentos ; sus p r i n c i p a l e s usos son:

- Agentes e m u l s i f i c a n t e s y e s t a b i l i z a n d e s de espuma en pos-

t r e s , he l ados , a l imentos in fan-b i l es , a l imentos d i e t é t i c o s . en - sopas, s a l s a s , e t c .

- Agente e s t a b i l i z a n a e d e l a emulsión en s a l ch i chas y o t r o s

productos c á r n i c o s emu ls i f i cados . Los cas e ina t o s ayudan a l a - r e t e n c i ó n d e :rasa y humedad durante el mezclado y c o c c i ón de - e s t o s productos. Cabe mencionar que en algunos p a í s e s e l uso de

c a s e ina t o s para e s t e f i n e s t á r egu lado es t r i c t amente .

- I n g r e d i e a t e s p r o t é i c o s en productos s i m i l a r e s a l queso.

- En l a i n d u s t r i a de l a p a n i f i c a c i ó n , l o s c a s e ina t o s se u-

san para formar mezclas que absorben agua en forma contro lada.

Con e s t o es p o s i b l e mod i f i c a r , a vo luntad, las c a r a c t e r í s t i c a s - t e x t u r a l e s y o r gano l ép t i c a sde d i f e r e n t e s productos.

En l o que r e spe c t a a l a s case ínas i n s o l u b l e s ( c a s e ína a l

c u a j o ) y a l o s c op r e c i p i t ados . s e puede mencionar que s e ad ic ionan

en forma de p o l v o f i n o , como f u e n t e de p r o t e í nas para l a f o r t i f i -

c a c i ón de c e r e a l e s y o t r o s a l imentos .

- Composición de la caseína. Existen algunas Biferencias entre la caseína ai cuajo y ia

q u e s e obtiene por acidificación, pero no existen diferencias - entre la caseína láctica y la caseína ácida mineral (Roeper, 1974) .

En la tabla 2 se muestra la composición promedio de la caseína

ácida y la caseína al cuajo.

Tabla 2 COMPOSICION MEDIA DE LAS CASEINAS ACIDAS Y AL CUAJO.

f, humedad

% Proetína

% Cenizas

% Lactosa

% Grasa

PH

Caseína ácida. Caseína ai cuajo.

11.4 11.4

8 5 . ~ 79.9

1 .a 7.8

0.1 0.1

1.3 0.8

4.9 7.5

Fuente: Southward & Walker, 1980.

- Producción y comercio de caseína. Para 1980. la producción anual de caseína se estimó en 150,000

toneladas, de las cuales un 8 0 a intervinieron en el comercio exte-

rior. Los principales exportadores de caseína en 1978 fueron:

Producción (x 1000 ton) 63.3

Nueva Zelanda

Francia

Australia

Polonia

Alemania oriental Argentina

19.4

16.6

13.0

9.5 2.1

Entre l o s principales países importadores de caseína se en-

cuentran Japdn, Reino Unido, Estados Unidos y Alemania Occidental.

En la tabla 3 se muestran l o s principales países productores

de caseína y sus correspondientes datos de producción en el período

comprendido entre 1974 y 1978..

Tabla 3. PRODUCCION MUNDIAL DE CASEINA 1974-1978 (Miles de tons.)

País 1974 1975 1976 1977 1978

Francia 26.0 15.1 12.6 17.8 22.2

Polonia 36.0 24.0 26.0 29.0 30.0

Alemania Este 14.1 13.8 12.7 12.8 15.4

Argentina 7.8 11.5 9.3 4.9 3.0

Australia 13.5 15.5 16.8 18.6 17.2

Nva. Zelanda 34.5 52.7 58.0 56.7 68.9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuente: Southward & Walker. 1980

ANTECEDENTES.

La obtención industrial de caseína data de 1900 y surge como

una consecuencia directa de la invención de la desnatadora centri

fuga . El proceso de obtención mencionado en la sección anterior -

precipitar, lavar y secar - fué propuesto por Speiiacy (Speiiacy, 1953) y ha sido modificado al través de l o s años: Una vez que se

obtiene la cuajada, esta se lava para eliminar el suero y poste - riormente es prensada (Ball Bryant.1973) o ultracentrifugada (De

Boer, 1974) y por Último es sometida a un proceso de secado.

Espie y cole[;as (1984) han realizado un estudio sobre las caractg

rísticas de secado de caseína obtenida por distintos procedimien-

tos, y llegaron a la conclusión de que existen diferencias signi-

ficativas en la facilidad de secado de cada una de estas caseinas.

Dichos autores observaron que la caseína ldctica e s la más fácil

de secar pientras que la casefna al cuajo e s la que presenta mayor

dificultad de secado. Las casehas ácidas minerales se encuentran

entre las ya mencionadas.

Para 1935, ya existían en E.U.A métodos continuos para la ob-

tención de caseína como son e l método Sheffield (New Process) y el

Spellacy (Universal System). Posteriormente apareció el método

Bellock. el cual utiliza una solución de H C 1 y permite el procesa-

miento de grandes volúmenes de leche fluida: de 20,000 a 50,000

litros/hora, para obtener de 0.6 a 1.5 toneladas/hora de caseína

(Buchanan, 1957)

L OBJETIVOS.

c

.- - D e s a r r o l l a r un método económico para l a ob t enc i ón de c a s e f - c

na para uso i n d u s t r i a l a p a r t i r de l e c h e en p o l v o f u e r a de norma. I

c - Est imar l a máxima producc ión p o s i b l e de case ína - mediante ._ e l proceso d iseñado - en i n s t a l a c i o n e s d e p l an t a p i l o t o .

r

L

c - Proponer p o s i b l e s usos para e l suero que - como subproducto

- - se o b t i e n e a1 p r e c i p i t a r l a case ína.

c

I

*- - c

i

MBTODOLOGIA . E l método propuesto e s una adaptac ión de v a r i o s procesos co-

me r c i a l e s . T i ene como f i n a l i d a d l a ob tenc i ón económica de c a s e í -

na i n d u s t r i a l para ser u t i l i z a d a en l a f a b r i c a c i ó n de pegamentos.

En l a f i g u r a 7 s e muestran los pasos esquemáticos d e l proce-

so que se va a l l e v a r a cabo.

l e c h e en p o l v o descremada - que se encuentra f u e r a de norma - y l a

cua l será proporc ionada po r CONASUPO.

Como mate r i a prima s e u t i l i z a r á -

Con e l f i n de poder c a l c u l a r e l rendimiento de case ína se p r o

ponen l a s s i g u i e n t e s determinac iones :

a ) kg d e l e c h e en po l v o / d í a

b ) kg de agua : i ) Para r eh i d r a t a c i ón .

ii) Para l a vado de l a cuajada.

c ) kg. de l e c h e f l u í d a / d í a

d ) kg. de case ína seca / d í a

e ) kg. de suero obtenido/día

Con los da tos a n t e r i o r e s también s e r á p o s i b l e e s t a b l e c e r l o s

ba lances de masa n e c e s a r i o s para un p o s t e r i o r esca lamiento d e l

proceso , i . e . de p l a n t a p i l o t o a n i v e l i n d u s t r i a l . También s e

r e a l i z a r á n l o s ba lances d e e n e r g í a co r r espond i en t es .

- Anál is is .

Una d e l a s pr imeras pruebas que se r e a l i z a r á n c o n s i s t e en u-

t i l i z a r una l e c h e más concentrada que l a normal - con más de 13%

de S ó l i d o s no g r a so s -. Para poder c u a n t i f i c a r e l e f e c t o de e s t a

m o d i f i c a c i ó n sobre e l rendimiento y c a l i d a d d e l producto f i n a l se

proponen los s i g u i e n t e s a n á l i s i s :

a ) Determinación de e x t r a c t o seco

FIG 7

I LRLTOOSR r I

b ) % de c en i z a s en el e x t r a c t o seco.

e ) Determinac ión d e l conten ido p r o t é i c o .

d ) I n d i c e de ac ide z .

e ) Concentrac ión d e l a c t o s a (debe s e r mínima)

La metodo log ía d e l a s t é c n i c a s para r e a l i z a r l o s a n á l i s i s

mencionados se anexa en e l apénd ice que s e encuentra a l f i n a l - d e l p r esen te t r aba j o .

Como se puede a p r e c i a r en el diagrama a n t e r i o r ( f i g u r a 7) .

e l p roceso de ob t enc i ón se i n i c i a con l a r e h i d r a t a c i ó n d e l a l e -

che. S igu iendo l a s i nd i c a c i one s que se muestran en l o s sacos se

c a l c u l a que se r e qu i e r en 120 gramos de l e c h e en po l v o para ob t e -

n e r un l i t r o de l e c h e f l u i d a con 13% de s ó l i d o s no g rasos ; no

obs tan te , e s t e v a l o r s e r á comprobado exper imentalmente y e s t á su-

j e t o a Garnbios.

Como s e mencionó anter io rmente . e l proyec to i n c l u y e e l hacer

pruebas con una l e c h e mas concentrada y l a d e t e c c i ó n - mediante

a n á l i s i s - de l o s p o s i b l e s cambios que e s t o pueda ocas i onar en

e l producto f i n a l . Es tas pruebas c ons i s t en en p rocesa r v a r i o s

l o t e s de l e c h e con concent rac iones e n t r e 120 g / l de l e c h e en

po l v o ( l o t e t e s t i g o ) has ta 180 g/ l . Con v a r i a c i o n e s de 1 0 g / l

e n t r e l o t e y l o t e . Es p o s i b l e que en l a s concent rac iones mas

a l t a s s e presenten problemas de s o l u b i l i z a c i ó n .

La a c i d i f i c a c i ó n se r e a l i z a r á po r a d i c i ó n d e una s o lu c i ón

1.4 N d e HC1. grado i n d u s t r i a l , y e s t o se combinará con ca l en t a -

miento a 50 C para p roduc i r l a coagulac iÓn de l a l e che .

Con base en pruebas p r e l im ina r e s , r e a l i z a d a s por l a p r o f e s o -

r a Centeno, se obtuvo l a s i g u i e n t e r e l a c i ó n :

8565 kg d e l e c h e f l u i d a a c i d i f i c a d a (pH 4.6 aprox. ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ---- 600 l i t r o s de H C 1 1.4N gastados

c

I-

C

L

c

._ c

L

I

c

c

L

c

Esto da por resultado que se requieran 0.07litros (70 ml) de solu - ciÓn 1.4 N por cada kg de leche fluída que se quiera procesar.

Considerando que la densidad de la leche desnatada es de

1.041 g/ml (Geankoplis,l980). entonces es posible calcular la

cantidad de UoluciÓn requerida con base en la leche en polvo que

se quiera procesar:

lo. Cada litro de leche fluída y descremada pesa 1.041 kg y pa

ra prepararlo s e requieren 0.120kg de leche en polvo, i.e:

0*120kp*1eche = 0.1153 kg polvo/kg fluída. 1 .Oklkg.leche fluída

20. Cada kg de leche fluída requiere de 0.07 litros de solución

1.4N (70 mi) para alcanzar el pH isoeléctrico de la caseína:

70 ml sol. HC1 k,z leche fluída = 607.25 ml kg leche flufda 0.1153 kg 1.polvo kg .leche polvo

Tomando en cuenta la capacidad de las instalaciones y el -- tiempo de proceso por lote, se estime q*?e se Fueden procesar 7-8

lotes/día.

obtener 52-60 kg de caseína seca/día (1).

Cada lote e s de 250 kg de leche fluida y calculamos

No obstante, este cdlculo está sujeto a modificaciones de-

bido, principalmente, a la capacidad del secador.

Una vez que precipita la caseína, s e separa del suero por

decantación y se cuantifica su volumen para establecer rendimientos

y determinar la cantidad de agua para lavado: es conveniente lavar la cuajada con un volumen de agua (42 8 ) similar al del suero re-

movido y con agitación. Posteriormente se deja reposar la cuaja-

da durante 15 minutos y después se tira el agua. Este procedi-

miento se repite en 3 ocasiones. (1) Se calcula un rendimiento de 3kg. caseína / 100 kg leche (South ward & Walker, 1980).

La función del lavado es la de eliminar las sales de calcio

solubilizadas por la acidificación y remover otros componentes del

suero: lactosa principalmente.

La eliminación del calcio reduce la viscosidad al mínimo y

el quitar la lactosa impide la formación de un color pardo (por

reacción de Maillard) durante el secado de la caseína.

El presnado tiene por objeto reducir la cantidad de agua en

la medida de lo posible antes de secar la caseha. Resulta con-

veniente tener la mínima humedad posible antes de deshidratar pa-

ra así reducir la carga de secado por evaporación. (Southward, 1971)

Con esto s e reduce el tiempo de secado y el proceso resulta más

económico;

Una vez prensada, la caseína se muele para obtener pedazos

de tamaño aproximadamente igual, con lo que se logra un secado

mas uniforme. El secado se realizará en un secador de charolas.

De allí se someterá a un ppoceso de temperado - enfriamiento gradual con agitación - para permitir el endurecimiento del grano y la distribución uniforme de la humedad.

El calibrado de los granos (cernido) consiste en un tamizado

para separarlos por tamaño. En nuestro caso particular, utiliza-

remos una malla No. 3 0 . por ser esta la especificación requerida:

CALIDAD DE LA CASEIMA % que pasa a través de malla No. 30

Caseha de primera 90

Caseína de segunda 75

Fuente: CONASUPO

CRONOCRAMA DE ACT IV IDADES.

- Mes 1. R e v i s i ó n d e l m a t e r i a l b i b l i o g r á f i c o sobre métodos

de ob t enc i ón ,de case ína , da t o s de producción, t é c n i c a s de a n á l i s i s

e t c . Diseño d e l proceso . E laborac i ón d e l an t ep royec to . Montaje

de l a s t é c n i c a s de a n á l i s i s .

- Mes 2. Montaje de t é c n i c a s y pruebas p r e l im ina r e s : d e t e r -

minación d e l t iempo po r paso y t iempo t o t a l de p roceso ; mod i f i ca -

c i ó n de l a concen t rac i ón de sÓl.idos no g r a so s

y e s tud i o de sus p o s i b l e s e f e c t o s en e l producto f i n a l .

en l a mater ia prima

- Mes 3. Procesamiento de 6-8 l o t e s d i a r i o s , d e 250 l i t r o s

cada uno, y op t im i xac i ón d e l proceso .

- Mes 4. Procesamiento de 6-8 l o t e s d i a r i o s , de 250 l i t r o s

cada uno, y o p t i m i z a c i ó n d e l proceso .

- Mes 5. Procesamiento de 6-8 l o t e s d i a r i o s , de 250 l i t r o s

cada uno, y op t im i xac i ón d e l proceso .

- Mes 6. F i n d e l t r a b a j o exper imenta l . A n á l i s i s de r e s u l t a -

dos. E laborac i ón d e l p r o y e c t o f i n a l .

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

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APENDICE.

TECNICAS EMPLEADAS PARA EL ANALISIS DE MATERIA PRIMA VO) Y PRODUCTO FINAL ( CASEINA SECA MOLIDA ).

(LECBE ET1 POL -

I. MATERIA PRIMA.

Análisis efectuados:

1) Densidad 2) Extracto seco. 3) Cenizas. 4) Acidez. 5) Grasa. 6) Lactosa. 7 ) Proteínas.

1) Densidad.- Para determinar la densidad de 1s l eche vamos a emplear un lactodensfmetro. La lectura se obtiene en grados - Quevenne ( Q ) , los cuales están relacionados con la densidad es- pecífica por ia siguiente fórmula:

Q = 1000D .. 1000

Procedimiento.- El lactodensímetro se sumerge en una probeta de 200 a 500 m1,llena de leche, median-te un movimiento rotarorio y se permite que se estabilize. La lectura se toma en la parte s u perior del menisco.

directo (ver fórmula), pero de no ser así es necesario aplicar un factor de corrección de 0.002 a la densidad. Este factor se suma si la temperatura es mayor a 15 C y se resta si la tempera tura es menor.

Si la leche se encuentra a 15 C, el cálculo de densidad es

Esta prueba nos permite detectar rápidamente si la leche en polvo está descremada o no: mediante pruebas preliminares s e en- contró que para el caso de leches descremadas la lectura del lac todensfmetro e s superior a 40 Q ; por otro lado, las leches ente- ras siempre registran valores entre 2% y 32 Q. Esta prueba nos ayudará en la correcta selección de lotes (leche descremada) pa- ra e l proceso.

2) Extraizto s eco t o t a l . - Esta determinac ión se r e a l i z a r á po r pesada (método 15.014 de l a AOAC) . Procedimiento.- Pesa r 5 g de muestra y c o l o c a r l o s en l a cápsula

t a rada . Ca l en t a r a vapor v i v o de 10 a 15 minutos y despues en una e s tu f a a '38-100 C durante 3 h., hasta a l c anza r un peso cons t an t e . E n f r i a r en un desecador y pesar rápidamente. Repor ta r como 5 de e x t r a c t o s e c o t o t a l .

3 ) Cenizas (método 15.016 AOAC).- Para e s t a prueba se puede u t i l i z a r l a muestra de e x t r a c t o s eco t o t a l : una ve z que determi- na el e.s. se i n c i n e r a l a muestra en una mufla a 500 C hasta que l a c e n i z a est46 exen ta de carbón; se e n f r í a en el desecador y se pesa como $ dle c en i z a .

4 ) A c i d e z t o t a l (método 14.004).- Se miden 20 m l de l e c h e y se d i l u y e n adic ionando 20 m l d e agua. Se ad i c i onan 2 m l de f e -

n o f t a l e í n a (1% en a l c o h o l ) y se t i t u l a con Na0I-I 0.1 N hasta un c o l o r r o sa permanente. E l r e s u l t a d o de l a t i t u l a c i ó n se r epo r - t a como g. ac. l á c t i c o po r 1 i t i . o de l e c h e :

Ac. L á c t i c o (g/i) = N x V x 0.09 x 1000

m l de muestra

5 ) Grasa.- E l c on t en ido de g rasa se determinará con el mé- t odo de Rose-Got l ieb . l a l e che . La muestra de l e c h e se somete a un procedimiento de e x t r a c c i ó n de l a g r a sa u t i l i z a n d o como s o l v e n t e o r gán i c o una - mezcla de a l c o h o l e t í l i c o , e ter e t í l i c o y e t e r de p e t r ó l e o . P o s t e r i o rmen t e , se evapora l a mezcla y se pesa el r es iduo . E l r e s u l t a d o se r e p o r t a como $ de g rasa

Para e s t a t é c n i c a s e r e q u i e r e homogeneizar

6 ) Lactosa . Se determinard po r e l método de F eh l i n g (15.028

de l a AOAC). Procedimiento.- Se c o l o can 20 nil de l e c h e en un matraz a f o rado de 100 m l , se ad i c i onan 60 m l de agua y se c a l i e n t a en baño María se ad i c i onan 3 o 4 g o t a s de á c i d o a c é t i c o concentrado para pre-

c i p i t a r p r o t e h a s . Se d e j a e n f r i a r a 20 C y despues se a f o r a a 100 m l . Se a g i t a y se f i l t r a . t r a d o u t i l i z a n d o el método de E'ehling:

La l a c t o s a se determina en el f i l

1 ) Co l oca r el f i l t r a d o en una bureta. 2 ) Co l oca r 5 m l de s o l . A t 5 m l de s o l . B en un matraz

y c a l e n t a r a e b u l l i c i ó n .

desaparece e l c o l o r a z u l d e l sobrenadante. Pos t e r i o rmente s e a- Se t i t u l a con e l f i l t r a d o has ta que

n . .

d i c i o n a n unas gogas de a z u l de me t i l eno y s e s i g u e t i t u l a n d o has - t a l a d e s a p a r i c i ó n d e l c o l o r .

de l a c t o s a y s e c o l o c a en un matraz a f o r ado de 700 m l ; s e a f o r a con agua d e s t i l a d a . Se r e p i t e e l procedimiento d e l punto 2, s e l o que para t i t u l a r ahora s e u t i l i z a l a s o l u c i ó n de l a c t o s a .

3 ) Va l o r a c i ón d e l r e a c t i v o de Feh1ing.- Se pesa un gramo

Lac tosa ( g / i ) = x 5 F= e q u i v a l e n t e de 1 0 m l de Feh-

G l i n g a l a c t o s a en mg.

G= Gasto d e l f i l t r a d o en m l .

7 ) P r o t e í n a s po r Kjedah1.- Cons i s t e en l a determinac ión d e l n i t r ó g e n o o r gán i c o t o t a l mediante l a c onve r s i ón de t odas l a s f o g mas de n i t r ó g e n o en una s a l i n o r gán i c a de amonio y l a p o s t e r i o r

de t e rminac i ón de e s t e producto.

Procedimiento.- Se c o l o can 5 g de l e c h e f l u i d a en un matraz y s e

añaden 6 g de mezla d i g e s t o r a 3e s e l e n i o y 50 m l de á c i do s u l f ú - r i c o concentrado y p e r l a s de e b u l l i c i ó n . Se c o l o c a e l matraz en

una p a r r i l l a de ca l en tamien to hasta l o g r a r un l í q u i d o t r a n s p a r e g t e . Ca l en ta r durante o t r o s 30 minutos

Des t i l a c i ón . - Co l oca r e l tubo t e rm ina l d e l r e f r i g e r a n t e d e l - apara to d e s t i l a d o r den t ro de un matraz er lenmeyer con 50 m l d e l á c i d o r e c e p t o r . ( á c i d o c l o r h í d r i c o 0.1M con 2-3 g o t a s de r o j o de

m e t i i o ) . Añadir 300 ml d e agua d e s t i l a d a f r í a a l matraz con l a muestra

d i g e r i d a , e n f r i a d a en un baño ide h i e l o . Ad i c i onar , con mucho

cuidado, 60 m l d e HaOH 50% has ta que s e formen dos e s t r a t o s .

randose que no hay f u g a s de gases . Co l oca r e l matraz en l a t r aapa d e l d e s t i l a d o r y a g i t a r , a s e g g

Des t i l a r aproximadamente 200 m l , s a ca r l a t e r m i n a l d e l r e f r i - g e r a n t e d e l matraz er lenmeyer an t e s de apagar l a s p a r r i l l a s y -- l a v a r l a con una p i s e t a con agua d e s t i l a d a , r e c o l e c t ando e l l a v a = do en e l mismo matraz.

T i t u l a r con NaOh 0.1N has ta ob t ene r un c o l o r amar i l l o .

Ca l cu l a r l a can t idad de n i t r ó g e n o p r e s en t e en l a muestra ( 8 ) u t i l i z a n d o un m i l i e q u i v a l e n t e de 0.014.

E l c á l c u l o de l a can t idad de p r o t e í n a s e r e a l i z a m u l t i p l i c a n do l a can t idad de n i t r ó g e n o po r un f a c t o r que v a r í a con e l t i p o d e muestra y que para l e c h e y sus d e r i v ados e s de 6.38.

I&*-PRQQUCTO FINAL (CASEINA).

Aná l i s i s a r e a l i z a r :

1 ) Calentamiento a temperatura e l e vada

2) Contenido de l a c t o s a . 3 ) Humedad. a ) Cenizas.

1 ) Obscurec imiento a temperatura e levada. Una de l a s prue-

bas p r e l i m i n a r e s en l a e va luac i ón d e l a case ína para su uso en adhes i vos consiste en c a l e n t a r una muestra de case ína a 140 C durante 30 minutos. s en t a r un c o l o r arena; s i s e obscurece e s rechazada.

Despues de ese t iempo l a case ína debe p re -

2) Debido a que e l conten ido de l a c t o s a en l a case ína e s muy ba j o , debe ser i n f e r i o r a O.l%, no e s p o s i b l e u t i l i z a r e l - método de Feh l ing . absorbanc ia que u t i l i z a l a antrona como r e a c t i v o ( 8 ) .

Po r esa razón, s e e l i g i ó una t é c n i c a por

3 ) Humedad.- La humedad d e l producto f i n a l debe e s t a r com- Esta de te rminac ión s e r e a l i z a r á en una prendida e n t r e 8 y 11%.

ba lanza OHAUS.

4 ) Cenizas.- Calentamiento en mufla a 500 C durante 3 horas.