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Aspectos microbiológicos
El principal objetivo microbiológico del procesamiento UHT es inactivar las bacterias formadoras de esporas que podrían crecer durante el almacenamiento y causar deterioro. Los principales objetivos son las especies de Bacillus, especialmente las resistentes al calor, como B. licheniformis y B. subtilus. El Geobacillus stearothermophilus es un formador de esporas extremadamente resistente al calor que se encuentra en la leche, pero como sólo crece a temperaturas superiores a unos 50°C, no causa problemas en la leche UHT a menos que se abuse mucho de la temperatura durante el almacenamiento. En tiempos relativamente recientes, otro formador de esporas extremadamente resistente al calor, B. sporothermodurans, ha causado problemas en la leche UHT; desafortunadamente, a diferencia de G. stearothermophilus, este organismo es mesófilo, es decir, puede crecer a temperatura ambiente5.
Las condiciones térmicas utilizadas para el procesamiento UHT están diseñadas para dar una reducción de 9 logs en los formadores de esporas resistentes al calor. Esto equivale a un índice bacteriológico (B*) de 1. Un proceso UHT debería tener un B* de al menos 1. En la práctica, la mayoría de las plantas UHT superan este requisito por un margen razonable. Muchas combinaciones diferentes de temperatura-tiempo que van desde 130°C durante ~30 segundos hasta 160°C durante menos de 0,05 segundos podrían alcanzar este objetivo, pero en realidad los tiempos de mantenimiento muy largos y muy cortos no son prácticos desde el punto de vista comercial. Las temperaturas UHT más comunes utilizadas comercialmente oscilan entre 137 y 145°C6.
El proceso UHT
Los principales pasos de un proceso UHT son los siguientes:
- Precalentamiento, con o sin tiempo de mantenimiento
- Homogeneización (para sistemas indirectos)
- Calentamiento hasta la temperatura de esterilización
- Mantenimiento a la temperatura de esterilización
- Enfriamiento inicial
- Cuidado con la piel.
- Homogeneización (posición alternativa para sistemas directos o indirectos)
- Enfriamiento final
- Envasado aséptico
La etapa de precalentamiento lleva la temperatura de ~ 5°C a ~90°C, utilizando la leche caliente posterior a la esterilización como fuente de calor en intercambiadores de calor tubulares o de placas. Esta etapa de regeneración del calor es muy importante para la eficiencia energética de la planta UHT. Se puede regenerar más del 90% del calor, aunque esta cifra varía según el tipo de planta. En algunas plantas, la leche se mantiene durante algún tiempo en un tubo de retención después del precalentamiento, por ejemplo, durante 60 segundos a ~95°C como en la figura 1. La razón principal de este paso es reducir la cantidad de suciedad, o la formación de depósitos, en los intercambiadores de calor posteriores, aunque, como se indica más adelante, también puede tener un efecto importante en la calidad del producto final al inactivar una enzima natural de la leche.
El paso final de calentamiento hasta la temperatura de esterilización requerida se consigue mediante uno de los dos tipos principales de calentamiento, los llamados sistemas directos e indirectos. Los sistemas directos calientan la leche por contacto directo con el vapor sobrecalentado culinario, mientras que los sistemas indirectos emplean intercambiadores de calor en los que el vapor sobrecalentado calienta la leche indirectamente a través de una barrera de acero inoxidable en forma de tubo o placa. Los sistemas directos pueden ser de tipo inyección, en los que el vapor se inyecta en la leche, o de tipo infusión, en los que la leche se infunde en una cámara de vapor sobrecalentado. La principal diferencia entre los sistemas directos e indirectos es la velocidad de calentamiento de la leche. Los sistemas directos calientan la leche desde la temperatura de precalentamiento hasta la de esterilización en menos de un segundo, mientras que los sistemas indirectos pueden tardar entre varios segundos y minutos. La principal consecuencia de esta diferencia es que, para un mismo efecto bactericida, los sistemas directos producen muchos menos cambios químicos en los componentes de la leche que los sistemas indirectos7.
Cuando se alcanza la temperatura de esterilización, la leche entra en un tubo de retención. La temperatura de la leche y el tiempo que tarda en pasar por este tubo de retención son las condiciones nominales que se suelen citar para un proceso UHT, por ejemplo, 140°C durante cinco segundos. Aunque se trata de una convención conveniente, no ofrece una imagen real del proceso térmico al que se somete el producto. Se producen muchos cambios químicos y microbiológicos en la fase de calentamiento inmediatamente anterior y en la fase de enfriamiento inmediatamente posterior a la fase de esterilización y, por lo tanto, estas secciones de la planta deben tenerse en cuenta, además del tubo de retención de esterilización, a la hora de considerar el alcance de estos cambios.
El enfriamiento inicial del producto en los sistemas directos se consigue muy rápidamente al pasar por una cámara de vacío que elimina el agua condensada en el producto durante el calentamiento por vapor y, al hacerlo, devuelve la temperatura del producto a una temperatura cercana a la que se calentó, normalmente alrededor de 75°C. En la última etapa de enfriamiento en los sistemas directos, y en ambas etapas de enfriamiento en los sistemas indirectos, el calor de la leche caliente se transfiere a la leche fría en las etapas de precalentamiento/regeneración del calor.
Cuando hay grasa en el producto, como en la leche entera, se incluye una etapa de homogeneización. Ésta se lleva a cabo a 60-70°C, ya sea antes o después de la etapa de esterilización. Si el homogeneizador se encuentra después de la etapa de esterilización, debe ser aséptico, ya que no pueden introducirse bacterias después de la esterilización. Esto supone claramente una gran exigencia para los operadores de la planta, que deben asegurarse de que el homogeneizador es aséptico y, por esta razón, cuando es posible, la homogeneización se lleva a cabo antes de la esterilización. Sin embargo, se ha comprobado que la leche procesada mediante un proceso de calentamiento directo tiene que ser homogeneizada a continuación para romper los agregados de proteínas que se forman durante el calentamiento y que provocan un sabor astringente en la leche.
El paso de envasado aséptico es crucial. El producto debe transferirse, tras su enfriamiento, al envase final y éste debe sellarse sin introducir ni una sola célula bacteriana. En la mayoría de las plantas comerciales, el producto se mantiene en un tanque aséptico antes de enviarlo a la envasadora aséptica. Existen varios tipos de envases, pero los más comunes son el cartón y el plástico multicapa. Los envases se esterilizan antes de ser llenados, normalmente con peróxido de hidrógeno caliente seguido de aire caliente para eliminar el peróxido residual.
Cambios en la leche durante el procesamiento UHT
Es inevitable que el calentamiento de un producto como la leche a temperaturas de hasta ~140°C tenga algún efecto sobre sus componentes, además de los efectos bactericidas previstos. Además, el almacenamiento a temperatura ambiente durante largos periodos de tiempo (hasta 12 meses) provoca efectos adicionales.
Para los consumidores acostumbrados a beber leche pasteurizada, que difiere poco del sabor de la leche cruda, la leche UHT a menudo parece tener un sabor cocido o calentado. La tecnología UHT moderna reduce al mínimo la producción de este sabor, pero la mayoría de los consumidores aún pueden detectarlo y es una de las razones por las que muchos consumidores prefieren la leche pasteurizada8. El sabor típico de la leche UHT se debe a una combinación de sabores, los principales de los cuales son los sabores sulfurosos causados por los compuestos sulfurosos volátiles liberados por la proteína del suero y las proteínas de la membrana que rodea el glóbulo de grasa de la leche9. Otros contribuyentes son los compuestos alifáticos de carbonilo formados durante el calentamiento y los compuestos formados en la reacción de Maillard. Inmediatamente después de la fabricación, la leche UHT tiene un fuerte olor y sabor sulfuroso debido al sulfuro de hidrógeno y a otros compuestos sulfurosos volátiles como el metano tiol. Estos compuestos se reducen notablemente en la primera semana, presumiblemente a través de la oxidación.
El paso inicial de la reacción de Maillard es la reacción entre la lactosa y la lisina de las proteínas de la leche, principalmente las proteínas del suero. De hecho, el alcance de esta reacción es una indicación de la intensidad del calor que se le da a la leche. En la práctica, se mide como furosina, un producto que se forma cuando la proteína que contiene lactosa se somete a una hidrólisis ácida. Otro indicador del tratamiento térmico es la lactulosa, un isómero de la lactosa10.
Las proteínas del suero, en particular la β-lactoglobulina que forma aproximadamente el 50 por ciento de estas proteínas solubles en la leche, se desnaturalizan al calentar a más de 70°C, de modo que en la leche UHT, un gran porcentaje de las proteínas del suero están en estado desnaturalizado y existen en gran medida como complejos con las caseínas.
La inestabilidad de las proteínas del suero al calor tiene otra consecuencia durante el procesamiento UHT. Algunas proteínas del suero se desnaturalizan y se adhieren a las superficies de los intercambiadores de calor en forma de depósitos proteínicos que obstruyen el flujo de la leche y pueden llegar a provocar el cierre de la planta para su limpieza. Sin embargo, éste no es el único tipo de depósito que se forma durante el procesado UHT. A altas temperaturas, por encima de unos 110°C, el fosfato de calcio también se precipita en las paredes, añadiéndose al «ensuciamiento» causado por las proteínas del suero2.
Sorprendentemente, el proceso UHT sólo tiene un efecto mínimo en el valor nutritivo de la leche. Hay una pequeña disminución de las vitaminas hidrosolubles, pero prácticamente no hay cambios en las vitaminas liposolubles. De hecho, se ha demostrado que las proteínas son más digeribles en la leche UHT como resultado del tratamiento térmico11. El tratamiento UHT también puede reducir la alergenicidad de las proteínas de la leche.
Los cambios químicos causados por una planta concreta pueden resumirse en un índice químico, C*. Un C* de 1 equivale a una destrucción del tres por ciento de la vitamina B, la tiamina. Las plantas UHT deben funcionar en condiciones que den un C* inferior a 1 para evitar un daño químico excesivo. Los sistemas UHT de calentamiento directo tienen valores de C* más bajos que los sistemas indirectos. Por lo tanto, una mejor descripción de una planta UHT es proporcionada por su B* y C* en lugar de por la combinación convencional de temperatura-tiempo del tubo de retención de esterilización.
Figura 1: Perfil de temperatura-tiempo de una planta UHT comercial de calentamiento indirecto. Las condiciones nominales del tubo de retención para esta planta son de 142°C durante 4,35 segundos y sus valores B* y C* son de 5,77 y 1,52 respectivamente
La mayoría de los cambios mencionados que se producen durante el procesamiento de la leche a alta temperatura se han estudiado en profundidad y se ha elaborado su cinética de reacción. Esto permite estimar matemáticamente los cambios que se producen en una planta UHT concreta. La información básica sobre una planta que permite hacer esto es el perfil de temperatura-tiempo. Este perfil puede variar considerablemente, como se ilustra en las figuras 1 y 2, que muestran los perfiles de dos instalaciones comerciales de UHT, un sistema indirecto y uno directo, respectivamente. Por lo tanto, cuando se conoce la cinética de un cambio concreto, por ejemplo, la desnaturalización de la β-lactoglobulina, y el perfil de temperatura-tiempo de una instalación UHT, se puede predecir el efecto de esa instalación sobre una serie de componentes de la leche. Afortunadamente, los cálculos para hacer esto pueden ser realizados por un ordenador12 y el software para este propósito está disponible comercialmente, por ejemplo, NIZO Premia13. Los valores B* y C* mencionados anteriormente también pueden calcularse, ya que se definen mediante fórmulas matemáticas. Lamentablemente, no es fácil obtener el perfil temperatura-tiempo de la mayoría de las plantas, ya que no se dispone de una descripción completa de la planta en términos de temperaturas y tiempos en todas las secciones. Sin embargo, cuando se dispone de ellos, se puede obtener una gran cantidad de información sobre el conjunto de la planta y el producto producido. Una de las aplicaciones de esta simulación por ordenador es la comparación de los efectos de las plantas piloto a pequeña escala con las plantas comerciales de tamaño completo para permitir que las plantas piloto se configuren de forma que se ajusten al equipo UHT comercial de tamaño completo6.
Figura 2: Perfil de temperatura-tiempo de una planta UHT comercial de calentamiento directo. Las condiciones nominales del tubo de retención para esta planta son de 143°C durante 2,03 segundos, y sus valores B* y C* son de 1,26 y 0,17 respectivamente
Cambios en la leche UHT durante el almacenamiento
Mantener la leche en buenas condiciones a temperatura ambiente hasta 12 meses es un gran desafío debido a la miríada de cambios que pueden tener lugar. El sabor cambia por el progreso de la reacción de Maillard y por la oxidación del oxígeno disuelto en la leche. Los principales compuestos aromáticos que se producen son las metilcetonas y los aldehídos alifáticos, pero se genera un gran número de compuestos aromáticos. Otros aromas que pueden desarrollarse durante el almacenamiento se deben a la acción de enzimas bacterianas resistentes al calor que pueden estar presentes en la leche cruda y sobrevivir al tratamiento térmico UHT. Entre ellas se encuentran las lipasas, que descomponen la grasa y forman ácidos grasos libres, algunos de los cuales tienen un fuerte sabor, y las proteasas, que descomponen las proteínas para producir péptidos, algunos de los cuales son amargos.
Otro cambio que pueden provocar las proteasas es lo que se conoce como «gelificación por edad», en la que la leche se espesa durante el almacenamiento y acaba convirtiéndose en un gel parecido a un yogur14. Este defecto indeseable puede ser causado por las enzimas bacterianas resistentes al calor, pero también puede ser causado por la plasmina, una proteasa natural de la leche, que es bastante estable al calor y puede permanecer activa en la leche UHT. Recientemente, se ha descubierto que es inactivada por algunas condiciones de precalentamiento UHT, lo cual es una excelente razón para incluir un tiempo de retención en la sección de precalentamiento de las plantas UHT15,16.
Procesamiento UHT de productos distintos a la leche blanca
El procesamiento UHT se utiliza ahora ampliamente para producir productos de «larga duración» como nata, natillas y leches aromatizadas. Sin embargo, no es adecuado para fabricar queso, ya que la cuajada de la leche UHT tarda mucho en cuajar y retiene una gran cantidad de humedad, lo que da lugar a un queso muy blando e inaceptable. La leche UHT tampoco es muy adecuada para la fabricación de yogur, ya que forma un gel muy blando17; sin embargo, puede ser más adecuada para producir un yogur bebible (de larga duración) en el que no se requiere un gel firme.