UNIVERSIDAD NACIONAL DE VILLARRICA DEL ESPIRITU SANTO

CLASE DE PROCESAMIENTO DE LACTEOS

CLASE Nº 2

. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICA DE LOS COMPONENTES DE

LA LECHE.

Lípidos

Se clasifican en sustancias saponificables y no saponificables. Las sustancias saponificables comprenden principalmente los triglicéridos y los fosfolípidos. Las sustancias insaponificables comprenden loas vitaminas y carotenoides. Su proporción en la leche se presenta en la siguiente tabla:

Triglicéridos.

Los ácidos grasos de la leche al combinarse con un alcohol (glicerol) forman los triglicéridos su mezcla conforman la grasa de la leche. A manera de ejemplo un triglicérido puede estar formado por el glicerol combinado con el ácido butírico – oleico y estéárico (ver figura 2) Los triglicéridos constituyen cerca del 98% del contenido de los lípidos de la leche y por lo tanto son los responsables de las características de la grasa láctea.

Estas características varían según la composición de los ácidos grasos. Existen un número grande de triglicéridos en la leche de acuerdo a las diferentes combinaciones de los grasos ácidos grasos que puedan ocurrir. El ácido graso más abundante es el oleico que al combinarse con el linoléico y los ácidos grasos de cadena más corta como el butírico y el caproico, influyen en el bajo punto de fusión de la leche. Los ácidos grasos responsables de la oxidación de la mantequilla son los saturados debido a su fácil reacción con el oxígeno. Otros factores que activan la oxidación son la radiación ultravioleta, iones de cobre, hierro y la acidez. Esto ocasiona el sabor rancio de la mantequilla.

Figura 2. Molécula de un triglicérido.

Los ésteres de los ácidos grasos, pueden descomponerse por hidrólisis, en ácidos grasos y en glicerol, esta hidrólisis puede ser causada por la lipasa produciéndose el enranciamiento de la materia grasa. Esta enzima puede ser inactivada durante la pasterización de la leche, pero cuando la lipasa es originada por bacterias psicrotróficas, puede ocurrir la rancidez en la leche así esté pasterizada, ya que dichas bacterias son resistentes a los tratamientos térmicos. Por otra parte la rancidez de la leche depende de otros factores como la alimentación del animal, ya que una mala dieta alimenticia potencia el deterioro de la leche por rancidez.

En el caso de los quesos la lipólisis es un proceso normal debido a las lipasas de microorganismos como las bacterias y hongos que actúan en el proceso, aumentando el contenido de ácidos grasos libres de la leche alrededor de un 0.25 a 6%, tal es el caso de los quesos tipo Camembert y Roquefort.

Como ya se mencionó anteriormente la composición de la materia grasa de la leche depende de factores como la alimentación, el estado de lactancia, entre otros y está asociado a la variación en el punto de fusión de la grasa.

Fosfolípedos o fosfátidos.

Los fosfolípidos, son grasas que contienen fósforo y aminas y son los lípidos compuestos más abundantes en la leche. La mayoría presentan dos grupos cargados, uno ácido y otro básico por lo tanto son bastante polares y por ende, hidrófilos, es decir que tienen la capacidad de absorber agua y como consecuencia de ello hincharse, sin embargo no son totalmente solubles. Por ser agentes altamente emulsionantes, influyen en la estabilidad de la materia grasa. Son bastante tensoactivos y se asocian con las proteínas para formar las lipoproteínas, las cuales algunas se encuentran en la membranas de los glóbulos grasos y otras se encuentran en el plasma de la leche formando “los microsomas de la leche”.

En el batido de la crema para producir la mantequilla gran parte de los fosfolípedos se quedan en el suero proporcionándole un sabor fuerte característico.

Los fosfolípedos de la leche están constituidos por: lecitina en un 30%; cefalina en un 45%; y esfingomielina en un 25%. Los ácidos grasos insaturados de la lecitina y la materia grasa al oxidarse forman la trimetilamina N(CH3) que le imparte un aroma a pescado. Este es uno de los defectos que se presentan especialmente en la mantequilla y en la leche en polvo.

Membrana del glóbulo graso

Como ya se había explicado anteriormente los glóbulos grasos se encuentran

envueltos en una capa proteica en donde se encuentran diferentes sustancias

entre las cuales están los fosfolípedos y proteínas, dando lugar a diferentes

reacciones químicas vivas.

La membrana del glóbulo graso se destruye parcialmente por diferentes

tratamientos que se realizan en la leche, por ejemplo, en la homogenización,

ocurre con mayor frecuencia la oxidación, produciendo un sabor metálico y la

hidrólisis, que le imparte un olor a rancio. Así mismo, ciertos tratamientos como

la incorporación de aire en el bombeo, la agitación, la formación de espuma y

variaciones de temperatura durante el almacenamiento de la leche cruda,

pueden producir la rancidez hidrolítica debido a la alteración de la lipasa que se

encuentra en la membrana.

Mediante la pasterización alta de la crema (82 –92oC) se desnaturaliza

parcialmente las proteínas de la membrana, liberando las proteínas que

contienen cobre, contribuyendo de esta manera a mejorar las condiciones de

almacenamiento de la mantequilla producida.

Proteínas

Las sustancias nitrogenadas de la leche se pueden clasificar den tres grupos: caseínas o sustancias que forman el queso propiamente, las llamadas proteínas del suero, y las sustancias nitrogenadas no proteicas. El grupo de las caseínas conforman del 78 al 80% de las proteínas de la leche. Las proteínas del suero que contienen fracciones de globulina y albúmina no pueden obtenerse en forma de queso sino como su nombre lo indican se encuentra en el suero y constituyen el otro 20% del contenido de la leche.

Las proteínas están constituidos por cadenas de aminoácidos o más

concretamente por los ácidos L -. -amino carboxílicos. A partir de un número de aminoácidos se forma una cadena peptídica linear, que si es corta, se llama péptido y si es larga se denomina polipéptido, la unión de los polipéptidos forman las proteínas. La mayoría de la proteína contiene por lo menos 100 radicales de aminoácidos.

Existen 20 aminoácidos diferentes y por lo tanto 20 tipos diferentes de cadenas laterales, además los grupos de estas cadenas. Pueden presentar diferentes modificaciones a continuación se presenta la estructura de un aminoácido y la de una cadena peptídica.

Estructura de las proteínas

Las proteína de la leche tienen una estructura definida pero cuando la leche es sometida a diferentes tratamientos esta estructura puede cambiar.

La estructura primaria está conformada por el ordenamiento de la cadena peptídica y su estabilidad se debe al enlace peptídico o de covalencia entre los aminoácidos de la cadena.

La estructura secundaria o espacial constituye las cadenas de aminoácidos que se unen formando una especie de hélice, su estabilidad se debe en parte a las uniones con los átomos de hidrógeno.

La estructura terciaria está conformada por varias cadenas replegadas sobre sí mismas. Su estabilidad se debe a los puentes de bilsufuro existentes entre los aminoácidos sulfurados como la cistina y las fuerzas hidrofóbicas.

La estructura cuaternaria es una unión muy frágil de monómeros o pequeñas unidades moleculares, con enlaces poco energéticos.

La desnaturalización de las proteínas se debe a una modificación limitada de la estructura secundaria y terciaria de las proteínas, sin rompimiento de sus enlaces covalentes, ni separación de fragmentos lo que hace que se reagrupen las cadenas dando lugar a una estructuración diferente de la proteína. Un ejemplo de este se puede observar en la desnaturalización o inactivación de las enzimas por efecto del calor y la separación o precitación de las proteínas del suero. Ver esquema de una proteína nativa y una desnaturalizada. .

La caseína. Este componente proteico esta conformado por diferentes clases o tipos de caseína que se denominan con letras griegas, las más importantes son las caseínas .

Las caseínas a, b,y g, reaccionan con el calcio formando compuestos que precipitan produciéndose la coagulación de la leche, pero como la leche en forma natural contiene calcio, ocurriría en cualquier momento la coagulación,

sin embargo para que esta precipitación no suceda la caseína K que es insensible al calcio, forma un especie de revestimiento protector en torno de las caseínas a, b,y g, e impiden que reaccionen con el calcio, manteniendo de esta manera la estabilidad de la proteína de la leche. Estructura de la caseína.

Las caseínas, ocupan el centro de una formación esferoidal, cuyo exterior está formado por la capa protectora de la caseína K, que tiene una parte hidrófila ( que atrae y fija el agua) cargada negativamente llamado “glucomacropéptido”, orientado hacia fuera. Debido a ello las micelas de la caseína están en condiciones normales rodeadas por una capa de agua que se constituye en una capa protectora. Dicha capa de agua y la parte negativa de la caseína K son las responsables de la fina distribución de la caseína en la leche. Por estar todas las micelas de las caseínas rodeadas de cargas negativas y repelerse entre sí, la caseína, es decir la proteína está permanentemente en suspensión.

Estabilidad de las proteínas

El sistema coloidal de las proteínas de la leche se debe a dos grandes fuerzas

que son: las cargas eléctricas y el agua de hidratación.

La principal fuerza de estabilidad de la caseína se debe a las cargas eléctricas

del radical ácido COO-y básico (NH3) de los aminoácidos. Los cuales ayudan

a mantener separadas las micelas de la caseína. En el pH normal de la leche

las cargas negativas del aminoácido son las que predominan.

La caseína como sustancia coloidal asociada a un complejo de calcio y fósforo

se coagula por acción de los ácidos, el cuajo o el alcohol. Cuando la leche se acidifica ocurre la disminución de las cargas eléctricas y del agua de hidratación, reduciendo así mismo la capacidad de las micelas de caseína para separarse y es cuando la leche se coagula. La caseína puede ser coagulada por acción del ácido cuando se baja a un pH de 4.6 a 4.7. Cuando la leche ha sufrido previamente, alguna acidificación puede ser coagulada por acción del alcohol que en este caso actúa como deshidratante. Es en este fenómeno, que se basa la prueba de estabilidad de la leche. Al precipitar la caseína por acción del ácido se ocasiona su desmineralización y entonces el calcio coloidal migra hacia la solución.

La lactoalbúmina y lactoglobulina permanecen en solución frente a la acción del ácido y del cuajo debido a una fuerza estabilizadora que se debe al agua de hidratación, sin embargo, cuando se le agrega alcohol o se somete al calor, estas proteínas coagulan debido a su acción deshidratante. A ello se debe que estas dos proteínas se encuentren en el suero de las leches obtenido después de su coagulación. La caseína coagula por acción del calor a una temperaturas de 130 a 138oC, ligeramente acidificada pero, la lactoglobulina coagula a

temperaturas alrededor de 72oC.

Coagulación por cuajo

La coagulación de la caseína por acción del cuajo se debe a una reacción proteolítica parcial donde la caseína actúa como sustrato de la enzima separando la llamada “proteasa de Hammarsten” que constituye cerca del 6% de la caseína. Dicha reacción se puede representar así:

La coagulación de la leche por el cuajo es una acción bastante compleja donde

ocurren los siguientes fenómenos:

Hidrólisis enzimática parcial de la Kappa caseína, esta ocurre entre los aminoácidos fenil alanina y metionina. Esta reacción puede ocurrir también a bajas temperaturas. Modificación de las micelas y su posible degradación por acción del fosfato de calcio.

Enlace de micelas y formación del coágulo o fase secundaria bajo temperaturas de 20oC o más. La cantidad de calcio iónico que se requiere para la coagulación es inversamente proporcional a la de fosfato cálcico.

Sinéresis del coágulo por retracción del retículo e inicio de la separación del suero. Proteólisis lenta de los componentes de la caseína o fase terciaria.

La acción del cuajo depende principalmente de la temperatura y del pH. El tiempo de coagulación se prolonga a temperaturas de 20oC y es menor a temperaturas entre 40 -42 oC. A pH superiores de 7.5 la coagulación no ocurre pero a medida que desciende del pH 6.7 normal el tiempo de coagulación se acorta.

El cuajo es un preparado de una enzima que contiene microfactores proteolíticos, que en condiciones adecuadas producen la coagulación de la caseína K (Kappa) de la leche. El cuajo o la enzima más antiguo, es la quimosina que se utiliza en la fabricación del queso y es obtenida de los terneros lactantes por lo que se conoce con el nombre de “cuajo de ternero” en capítulos posteriores, sobre la elaboración del queso, se tratará más ampliamente este tema.

Carbohidratos

El carbohidrato principal de la leche es la lactosa, éste es un glúcido neutro, cuya fórmula general es (CH2O)n. También se pueden encontrar además de la lactosa otros glúcidos como los nitrogenados entre los cuales se encuentran la glucosamina N – acetilada, que se encuentra ligada a los glúcidos neutros y los glúcidos ácidos como el ácido siálico, ligado a los glúcidos neutros o nitrogenados.

La lactosa

Representa el 97.5% de los glúcidos de la leche. Es un disacárido formado por glucosa y galactosa. Se encuentra totalmente en solución en la fase acuosa de la leches.

El poder reductor de la lactosa se debe a la presencia de un grupo aldehido libre en la mitad de la glucosa. La lactosa reduce el reactivo de Fehling, lo cual es una de las reacciones que permite la identificación de la lactosa..

Hidrólisis y fermentación de la lactosa. La lactosa por acción de un enzima, la lactasa, que puede encontrarse en el intestino o producirla una bacteria, actúa sobre la lactosa desdoblándola en galactosa y glucosa, estas por acción de bacterias lácticas (Streptococcus, lactobacillus y leuconostoc) es fermentada produciendo ácido láctico principalmente.

En la fermentación de la lactosa, además del ácido láctico se producen algunos compuestos aromáticos y volátiles como el acetil – metil carbinol y el diacetilo; el ácido láctico a su vez puede ser transformado por algunas bacterias como: el Propiobacterium Shermanii (en queso Gruyere) a ácido propiónico, ácido acético y CO2.

Las sustancias volátiles que se producen en la fermentación le imparte el olor agrio a la leche. El ácido láctico puede también transformarse en ácido butírico por acción de las bacterias anaerobias esporuladas (Clostridium butyricum) que causa la hinchazón tardía del queso.

Solubilidad de la lactosa. Es poco soluble en agua, su máxima solubilidad es de 16.9 gramos en 100 gramos de agua a 15oC. Uno de los defectos de arenosidad en las leches azucaradas y en helados se debe a que la cantidad de la lactosa sobrepasa en nivel de saturación, formándose los cristales que se detectan al paladar. En la leche una

concentración de volumen mayor de 3:1 producirá la cristalización espontánea de la lactosa.

Existen dos formas químicas de la lactosa: la Alfa lactosa (37%) y la Beta lactosa (63%), la cristalización ocurre cuando se sobrepasa en contenido de la Beta lactosa, transformándose la diferencia en alfa lactosa que es la que se cristaliza propiamente.

Pardeamiento. El calor afecta a la lactosa a temperatura por encima de 110 oC, Ocurriendo la pérdida de agua de la Alfa lactosa para transformarse en una lactosa anhidra. A temperaturas superiores a los 130 oC se produce la caramelización, al combinarse con los compuestos nitrogenados de la leche, este fenómeno de conoce con el nombre de “Reacción de Maillard” que se produce principalmente en las leches esterilizadas y en los dulces de leche. En esta reacción ocurre la destrucción de aminoácidos como la lisina y la histidina.

Dulzor de la lactosa

La lactosa tiene un poder edulcorante menor que la sacarosa, mientras que el de la sacarosa es de 100 el de la lactosa es de 15, siendo una ventaja muy grande para la elaboración de leches concentradas con sabor moderadamente dulce.

Refractometría. Una propiedad física de la lactosa es su índice de refracción cuyo valor medido en el suero de la leche varía proporcionalmente a la concentración de la lactosa. Esta propiedad permite determinar el aguado de la leche. De acuerdo a la lectura del refractómetro se puede determinar el porcentaje de lactosa en el suero de la leche y si este porcentaje resulta menor al normal, entonces se puede detectar el fraude por aguado.

Sales y minerales

Las sales de la leche se encuentran en dispersión iónica en una proporción entre 0.6 -1.0%... las que se encuentran en mayor cantidad son:

Fosfato de potasio, calcio y magnesio................ 0.33%

Cloruros de sodio y potasio................................. 0.20%

Citrato de sodio, potasio, calcio y magnesio........ 0.32%

Sulfato de potasio y sodio..................................... 0.018%

Carbonatos de potasio y sodio...............................0.025%

Entre lo minerales que contiene la leche unos están en mayor cantidad y representan los constituyentes mayores entre los cuales están: calcio, fósforo, potasio cloro y sodio que tienen una gran importancia nutricional y a nivel industrial. Los minerales que se encuentran en menor cantidad o constituyentes menores son: zinc, cobre, hierro, yodo y manganeso, estos aunque están en menor cantidad son también importantes en la dieta alimenticia y algunos como el cobre y el zinc actúan como catalizadores en la reacciones de oxidación de las grasas.

Los minerales se encuentran en la leche en una proporción entre 0.6 – 0.8% del peso de la leche. Estos se pueden determinar mediante las cenizas obtenidas de la incineración de la leche a temperaturas muy altas. Sin embargo los compuestos obtenidos después de la incineración sufren una reacción de oxidación que hace que cambien su forma química natural, lo que se demuestra, reacción alcalina de las cenizas y en la reacción ácida de la leche. Otro ejemplo es que el fósforo en la leche se encuentra en formas de fosfatos, o fosfolípedos como el de la lecitina y el de la ceniza está en forma de

anhídrido fosfórico (P2O5).

Los minerales que se encuentran en mayor cantidad en las cenizas son:

K2 O................................... 25.02%

P2 O5..................................................... 24.30%

CaO......................................20.00% Cl..........................................14.30% Na2O................................... 10.00%

Vitaminas.

La leche contiene todas las vitaminas importantes para la vida, cada una en mayor o menor cantidad. Estas vitaminas se clasifican en:

Liposolubles como:

A............................................. (100 -500 mg/lt)

Provitamina D3....................... (1mg/lt)

E.............................................. (500 -1000 mg/lt)

K.............................................. (Trazas)

Hidrosolubles:

B1………................................................................... (400 -1000mg/lt)

B2……………………………………. (800 -300 mg/lt)

B12……… ……………………… (Trazas)

C…….. ………………………… (10 -20 mg/lt)

Las vitaminas de la leche tienen la tendencia a destruirse debido a diferentes factores entre los cuales los más importantes son: los tratamientos térmicos, la acción de la luz, las oxidaciones entre otros. Las vitaminas como la Vitamina C.

A, procarotenos, y E o tocoferol tienen un gran poder antioxidante y por lo tanto es utilizado en la industria como agentes antioxidantes de la grasa de la leche.

Las Enzimas.

Las enzimas son sustancias orgánicas, complejas de naturaleza proteica y que actúan como iniciadoras de reacciones químicas permaneciendo intactas después de producir las reacciones.

Entre las enzimas existentes en la leche se encuentran:

Las hidrolasas: lipasa, fosfatasa, amilasa y lactasa

Las oxidoreductasas: peroxidasa y catalasa.

La acción de cada una de las enzimas es específica y actúan a un pH y una

temperatura óptima.

Lipasas

Esta enzima produce la hidrólisis de la grasa descomponiendo los glicéridos en glicerol y ácidos grasos. La liberación del ácido butírico es una de las causas del sabor rancio en la leche La lipasa nativa de la leche es termosensible y se inactiva con la pasterización lenta a bajas temperaturas, pero la lipasa que producen las bacterias como las Pseudomonas, Alcalígenes y Bacillus, principalmente, son termorresistentes y solo se inactivarán sometiendo la leche a altas temperaturas, tal es el caso de la alta pasterización.

Las lipasas están ligadas fuertemente a la caseína de la leche y se puede extraer de la cuajada formada por el cuajo, tratándola con soluciones

tampones.

Fosfatasas

La leche dos enzimas que hidrolizan los ésteres fosfóricos, la fosfatasa alcalina cuyo máxima actividad es a un pH de 8 y las fosfatasa ácida cuya actividad máxima es a un pH

de 4. La fosfatasa alcalina es la de mayor importancia por su sensibilidad al calor. Esta es una metaloproteína que contiene en su molécula Zinc (Zn) y esta ligada a la materia grasa. La resistencia al calor de esta enzima es un poco superior a la de las bacterias patógenas que pueden existir en la leche por lo que se usa en la industria para el control de la pasterización de la leche, así sea la pasterización alta o lenta. Cuando la Fosfatasa se destruye lo hacen también las bacterias patógenas. La prueba fosfatasa consiste en valorar colorimétricamente el fenol que se libera del fenilfosfato -disódico por la acción de la enzima.

Amilasa

La acción principal de esta enzima es la sacarificación del almidón cuya reacción se puede identificar con la prueba del yodo. 100 ml de leche normal a 25oC hidrolizan 22.5 g de almidón soluble. Si se calienta a 60 oC por 1 hora o a 65 oC por 30 minutos la enzima se destruye.

Lacto – peroxidasa

Fue la primera enzima que se descubrió en la leche, su contenido en la leche representa un 0.2% del total de contenido proteico. Es una proteína hémica por contener en su molécula un átomo de hierro. Es bastante resistente al calor pues solo se destruye sometiéndola a 70oC por 30 minutos o a 80 oC por 30 segundos. Es una enzima de oxidación indirecta, porque libera el oxígeno atómico de los peróxidos como el agua oxigenada (H2O2).

Catalasa

Esta enzima reacciona con el peróxido de hidrógeno liberando agua y oxígeno molecular. Debido a que los leucocitos producen catalasa se utiliza para detectar el origen de leches mastíticas ya que el volumen de oxígeno producido es proporcional a la cantidad de leucocitos en la leche. Se encuentran tablas que relacionan ambos factores. Sin embargo esta prueba no se puede utilizar en leches muy contaminadas porque los resultados podrían confundirse con el efecto producido por la catalasa de las bacterias. Así mismo la cantidad de catalasa varía según la raza, la alimentación y el momento de ordeño de la vaca, por lo que el uso de esta prueba ha disminuido apreciablemente.