Trattamento UHT del latte

Aspetti microbiologici

Lo scopo microbiologico principale del trattamento UHT è quello di inattivare i batteri che formano spore e che potrebbero crescere durante la conservazione e causare il deterioramento. Gli obiettivi principali sono le specie di Bacillus, in particolare quelle resistenti al calore come B. licheniformis e B. subtilus. Il Geobacillus stearothermophilus è una spora estremamente resistente al calore che si trova nel latte, ma poiché cresce solo a temperature superiori a circa 50°C, non causa problemi nel latte UHT, a meno che il latte non subisca gravi abusi di temperatura durante la conservazione. In tempi relativamente recenti, un altro sporeformer estremamente resistente al calore, B. sporothermodurans, ha causato problemi nel latte UHT; sfortunatamente, a differenza di G. stearothermophilus, questo organismo è mesofilo, cioè può crescere a temperatura ambiente5.

Le condizioni termiche utilizzate per la lavorazione UHT sono progettate per dare una riduzione di 9-log degli sporeformer resistenti al calore. Questo equivale a un indice batteriologico (B*) di 1. Un processo UHT dovrebbe avere un B* di almeno 1. In pratica, la maggior parte degli impianti UHT supera questo requisito con un margine ragionevole. Molte diverse combinazioni temperatura-tempo che vanno da 130°C per ~30 secondi a 160°C per meno di 0,05 secondi potrebbero raggiungere questo obiettivo, ma in realtà tempi di mantenimento molto lunghi e molto brevi non sono commercialmente pratici. Le temperature UHT più comuni usate commercialmente vanno da 137 a 145°C6.

Il processo UHT

Le fasi principali di un processo UHT sono le seguenti:

• Riscaldamento, con o senza tempo di mantenimento
• Omogeneizzazione (per sistemi indiretti)
• Riscaldamento fino alla temperatura di sterilizzazione
• Mantenimento alla temperatura di sterilizzazione
• Raffreddamento iniziale
• Omogeneizzazione (posizione alternativa per sistemi diretti o indiretti)
• Raffreddamento finale
• Confezionamento asettico

La fase di preriscaldamento porta la temperatura da ~ 5°C a ~90°C, utilizzando il latte caldo post-sterilizzazione come fonte di riscaldamento in scambiatori di calore tubolari o a piastre. Questa fase di rigenerazione del calore è molto importante per l’efficienza energetica dell’impianto UHT. Oltre il 90% del calore può essere rigenerato, anche se questa cifra varia a seconda del tipo di impianto. In alcuni impianti, il latte viene tenuto per un po’ di tempo in un tubo di mantenimento dopo il preriscaldamento, ad esempio, per 60 secondi a ~95°C come nella Figura 1. La ragione principale di questa fase è quella di ridurre la quantità di fouling, o formazione di depositi, nei successivi scambiatori di calore anche se, come notato di seguito, può anche avere un effetto importante sulla qualità del prodotto finale inattivando un enzima naturale del latte.

La fase finale di riscaldamento alla temperatura di sterilizzazione richiesta si ottiene con uno dei due principali tipi di riscaldamento, i cosiddetti sistemi diretti e indiretti. I sistemi diretti riscaldano il latte per contatto diretto con il vapore surriscaldato culinario, mentre i sistemi indiretti utilizzano scambiatori di calore in cui il vapore surriscaldato riscalda il latte indirettamente attraverso una barriera di acciaio inossidabile sotto forma di tubo o piastra. I sistemi diretti possono essere sia del tipo a iniezione in cui il vapore viene iniettato nel latte, sia del tipo a infusione in cui il latte viene infuso in una camera di vapore surriscaldato. La differenza principale tra i sistemi diretti e indiretti è la velocità di riscaldamento del latte. I sistemi diretti riscaldano il latte dalla temperatura di preriscaldamento alla temperatura di sterilizzazione in meno di un secondo, mentre i sistemi indiretti possono richiedere da diversi secondi a minuti. La conseguenza principale di questa differenza è che, per lo stesso effetto battericida, i sistemi diretti producono molti meno cambiamenti chimici nei costituenti del latte rispetto ai sistemi indiretti7.

Quando la temperatura di sterilizzazione viene raggiunta, il latte entra in un tubo di mantenimento. La temperatura del latte e il tempo che impiega a passare attraverso questo tubo di mantenimento sono le condizioni nominali che vengono solitamente citate per un processo UHT, ad esempio, 140°C per cinque secondi. Anche se questa è una convenzione conveniente, non dà un’immagine reale del processo termico a cui è sottoposto il prodotto. Molti cambiamenti chimici e microbiologici avvengono nella fase di riscaldamento immediatamente prima e nella fase di raffreddamento immediatamente dopo la fase di sterilizzazione e quindi queste sezioni dell’impianto dovrebbero essere prese in considerazione in aggiunta al tubo di mantenimento della sterilizzazione quando si considera la portata di questi cambiamenti.

Il raffreddamento iniziale del prodotto nei sistemi diretti si ottiene molto rapidamente in quanto viene fatto passare attraverso una camera a vuoto che rimuove l’acqua condensata nel prodotto durante il riscaldamento a vapore e così facendo riporta la temperatura del prodotto vicino alla temperatura da cui è stato riscaldato, solitamente intorno ai 75°C. Nella fase finale di raffreddamento nei sistemi diretti, e in entrambe le fasi di raffreddamento nei sistemi indiretti, il calore del latte caldo viene trasferito al latte freddo nelle fasi di preriscaldamento/rigenerazione del calore.

Quando nel prodotto è presente del grasso, come nel latte intero, è inclusa una fase di omogeneizzazione. Questa viene effettuata a 60-70°C, prima o dopo la fase di sterilizzazione. Se l’omogeneizzatore è a valle della fase di sterilizzazione, deve essere asettico, poiché non è possibile introdurre batteri dopo la sterilizzazione. Questo chiaramente impone agli operatori dell’impianto di garantire che l’omogeneizzatore sia asettico e per questo motivo, dove possibile, l’omogeneizzazione viene effettuata prima della sterilizzazione. Tuttavia, è stato riscontrato che il latte lavorato con un processo di riscaldamento diretto deve essere omogeneizzato a valle per rompere gli aggregati di proteine che si formano durante il riscaldamento e causano un sapore astringente nel latte.

La fase di confezionamento asettico è fondamentale. Il prodotto deve essere trasferito dopo il raffreddamento nella confezione finale e la confezione deve essere sigillata senza introdurre nemmeno una cellula batterica. Nella maggior parte degli impianti commerciali, il prodotto viene tenuto in un serbatoio asettico prima di essere inviato al confezionatore asettico. Sono disponibili vari tipi di imballaggio, ma i più comuni sono il cartone e la plastica multistrato. Le confezioni vengono sterilizzate prima di essere riempite, di solito con perossido di idrogeno caldo seguito da aria calda per rimuovere il perossido residuo.

Cambiamenti nel latte durante il trattamento UHT

È inevitabile che il riscaldamento di un prodotto come il latte a temperature fino a ~140°C abbia qualche effetto sui suoi costituenti, oltre agli effetti battericidi previsti. Inoltre, la conservazione a temperatura ambiente per lunghi periodi di tempo (fino a 12 mesi) provoca ulteriori effetti.

Ai consumatori abituati a bere latte pastorizzato che differisce poco nel sapore dal latte crudo, il latte UHT spesso sembra avere un sapore cotto o riscaldato. La moderna tecnologia UHT riduce al minimo la produzione di questo sapore, ma la maggior parte dei consumatori può ancora rilevarlo ed è uno dei motivi per cui molti consumatori preferiscono il latte pastorizzato8. Il sapore tipico del latte UHT è dovuto a una combinazione di sapori, il principale dei quali è il sapore solforoso causato dai composti volatili di zolfo rilasciati dalle proteine del siero di latte e dalle proteine della membrana che circonda il globulo di grasso del latte9. Altri contributori sono i composti carbonilici alifatici formati durante il riscaldamento e i composti formati nella reazione di Maillard. Subito dopo la produzione, il latte UHT ha un forte odore e sapore solforoso dovuto all’idrogeno solforato e ad altri composti solforati volatili come il tiolo del metano. Questi composti si riducono notevolmente nella prima settimana, presumibilmente attraverso l’ossidazione.

La fase iniziale della reazione di Maillard è la reazione tra il lattosio e la lisina nelle proteine del latte, principalmente le proteine del siero. Infatti, l’entità di questa reazione è un’indicazione dell’intensità del calore dato al latte. In pratica, si misura come furosina, un prodotto che si forma quando la proteina contenente lattosio è sottoposta a idrolisi acida. Un altro indicatore del trattamento termico è il lattulosio, un isomero del lattosio10.

Le proteine del siero di latte, in particolare la β-lattoglobulina che forma circa il 50% di queste proteine solubili nel latte, vengono denaturate dal riscaldamento oltre i 70°C circa, così che nel latte UHT, una grande percentuale di proteine del siero di latte si trova allo stato denaturato ed esiste in gran parte come complesso con le caseine.

L’instabilità delle proteine del siero di latte al calore ha un’altra conseguenza durante il trattamento UHT. Alcune proteine del siero di latte si denaturano e si attaccano alle superfici degli scambiatori di calore in depositi proteici che ostruiscono il flusso del latte e possono alla fine causare la chiusura dell’impianto per la pulizia. Tuttavia, questo non è l’unico tipo di deposito che si forma durante il trattamento UHT. Ad alte temperature, oltre i 110°C circa, anche il fosfato di calcio precipita sulle pareti, aggiungendosi al “fouling” causato dalle proteine del siero2.

Sorprendentemente, il processo UHT ha solo un effetto minimo sul valore nutritivo del latte. C’è una piccola diminuzione delle vitamine idrosolubili ma praticamente nessun cambiamento nelle vitamine liposolubili. Le proteine, infatti, hanno dimostrato di essere più digeribili nel latte UHT come risultato del trattamento termico11. Il trattamento UHT può anche ridurre l’allergenicità delle proteine del latte.

I cambiamenti chimici causati da un particolare impianto possono essere riassunti in un indice chimico, C*. Un C* di 1 equivale al tre per cento di distruzione della vitamina B, la tiamina. Gli impianti UHT dovrebbero essere gestiti in condizioni che danno un C* inferiore a 1 per evitare danni chimici eccessivi. I sistemi UHT a riscaldamento diretto hanno valori C* più bassi dei sistemi indiretti. Pertanto, una migliore descrizione di un impianto UHT è fornita dai suoi valori B* e C* piuttosto che dalla combinazione temperatura-tempo del tubo di sterilizzazione convenzionalmente utilizzata.

La maggior parte dei cambiamenti di cui sopra che avvengono durante il trattamento ad alta temperatura del latte sono stati studiati in profondità e la loro cinetica di reazione è stata elaborata. Queste permettono di stimare matematicamente i cambiamenti che avvengono in un particolare impianto UHT. L’informazione di base di un impianto che permette di fare questo è il profilo temperatura-tempo. Questo profilo può variare considerevolmente come illustrato nelle figure 1 e 2, che mostrano i profili di due impianti UHT commerciali, rispettivamente un sistema indiretto e uno diretto. Pertanto, quando la cinetica di un particolare cambiamento, ad esempio la denaturazione della β-lattoglobulina, e il profilo temperatura-tempo di un impianto UHT sono noti, è possibile prevedere l’effetto di tale impianto su una serie di componenti del latte. Fortunatamente, i calcoli per fare questo possono essere eseguiti da un computer12 e il software per questo scopo è disponibile in commercio, ad esempio NIZO Premia13. Anche i valori B* e C* menzionati sopra possono essere calcolati in quanto sono definiti da formule matematiche. Sfortunatamente, non è facile ottenere il profilo temperatura-tempo per la maggior parte degli impianti, poiché una descrizione completa dell’impianto in termini di temperature e tempi in tutte le sezioni non è facilmente disponibile. Dove sono disponibili, tuttavia, è possibile ottenere una ricchezza di informazioni sull’impianto nel suo complesso e sul prodotto realizzato. Un’applicazione di questa simulazione al computer è la comparazione degli effetti di impianti pilota su piccola scala con impianti commerciali a grandezza naturale, per permettere di configurare gli impianti pilota in modo che corrispondano alle attrezzature UHT commerciali a grandezza naturale6.

Cambiamenti nel latte UHT durante la conservazione

Mantenere il latte in buone condizioni a temperatura ambiente fino a 12 mesi è una sfida importante a causa della miriade di cambiamenti che possono avvenire. Il sapore cambia attraverso il progresso della reazione di Maillard e attraverso l’ossidazione dell’ossigeno disciolto nel latte. I principali composti aromatici prodotti sono i metilchetoni e le aldeidi alifatiche, ma si genera un gran numero di composti aromatici. Altri aromi che possono svilupparsi durante la conservazione sono dovuti all’azione di enzimi batterici resistenti al calore che possono essere presenti nel latte crudo e sopravvivere al trattamento termico UHT. Questi includono le lipasi, che scompongono il grasso e formano acidi grassi liberi, alcuni dei quali hanno un sapore forte, e le proteasi che scompongono le proteine per produrre peptidi, alcuni dei quali sono amari.

Un altro cambiamento che può essere causato dalle proteasi è quello noto come “gelificazione da invecchiamento”, dove il latte si addensa durante la conservazione e alla fine si trasforma in un gel simile a uno yogurt14. Questo difetto indesiderato può essere causato dagli enzimi batterici resistenti al calore, ma anche dalla plasmina, una proteasi presente naturalmente nel latte, che è abbastanza stabile al calore e può rimanere attiva nel latte UHT. Recentemente si è scoperto che viene inattivata da alcune condizioni di preriscaldamento UHT, il che è un ottimo motivo per includere un tempo di attesa nella sezione di preriscaldamento degli impianti UHT15,16.

Trattamento UHT di prodotti diversi dal latte bianco

Il trattamento UHT è ora ampiamente utilizzato per produrre prodotti a “lunga conservazione” come panna, crema pasticcera e latte aromatizzato. Tuttavia, non è adatto alla produzione di formaggio, in quanto la cagliata del latte UHT impiega molto tempo a solidificarsi e trattiene un’elevata quantità di umidità, dando un formaggio molto morbido e inaccettabile. Il latte UHT non è nemmeno molto adatto alla produzione di yogurt perché forma un gel molto morbido17 ; tuttavia, può essere più adatto alla produzione di uno yogurt da bere (di lunga durata) in cui non è richiesto un gel solido.