Materiales

La leche y el lactosuero utilizados fueron obtenidos de una empresa elaboradora de quesos, ubicada en el municipio de Ixtacuixtla en Tlaxcala, México, sus quesos más comercializados son panela, Oaxaca y ranchero. Se recolectó la leche y el lactosuero de los tres tipos de queso, de tres lotes de producción.

Los quesos se elaboraron en la misma empresa con los insumos que utilizan comúnmente, dada la confidencialidad del proceso, estos no serán especificados. En el diagrama 1se muestra el esquema general de la metodología que se siguió durante la investigación.

Figura 1 Metodología general para el aprovechamiento del lactosuero 

Caracterización fisicoquímica

Se hizo la caracterización fisicoquímica de: a) la leche, b) los lactosueros de la empresa, c) las fracciones de ultrafiltración, d) los lactosueros resultantes de la elaboración de quesos adicionado con el lactosuero concentrado (WC) y e) lactosuero en polvo (WCP). La caracterización se realizó con un equipo Milkoscan (S-54B, Foss Electric A/S, Hillerod). Los parámetros medidos fueron: pH, % de grasa, % de proteína, % de lactosa, % de sales minerales, % de sólidos totales y % de humedad.

Ultrafiltración

El lactosuero producido en la empresa se sometió a un proceso de ultrafiltración en un equipo NIRO Multietapa (RO, modelo R marca GEA), bajo las siguientes condiciones: tamaño de corte de membrana 10 KDa, presión de entrada 5.5 Kg cm^-2, caudal 9.3 ls^-1, temperatura 25 - 45 °C. De la ultrafiltración se obtuvieron dos fracciones, el lactosuero concentrado (WC) y el ultrafiltrado (UF). Este último se liofilizó a -40°C y una presión de 0.133 mBar durante 12 horas, para obtener el ultrafiltrado en polvo (UFP), el polvo resultante se almacenó a temperatura ambiente para su uso posterior.

Secado por aspersión

El lactosuero concentrado (WC), se secó en un secador por aspersión Marca Galaxi (Modelo 2520), temperatura del aire de entrada 200°C, temperatura del aire de salida 80 °C; tasa de evaporación 250 litros h^-1, obteniéndose el lactosuero en polvo (WCP).

Análisis por espectrofotometría infrarroja FTIR

La cantidad de proteína y lactosa en el lactosuero se determinó por FTIR, se compararon los espectros de: tres lactosueros en polvo, a) ProWinner, producto que se comercializa como concentrado de proteína de lactosuero sin lactosa, b) lactosuero donado por la Universidad Iberoamericana campus Puebla (Ibero) y c) Veyco un lactosuero comercial grado alimenticio; tres leches en polvo comerciales, Nido^®, Novamil^® y Nan II^®, y los lactosueros obtenidos en este trabajo. Las curvas de calibración se prepararon con albúmina bovina y lactosa de Sigma-Aldrich, se determinó la absorbancia a longitudes de onda de 1800-800 cm^-1, se utilizó un equipo FTIR Bruker modelo Vertex 70 con ATR, empleando un tiempo de integración de 300 segundos.

Elaboración de queso Oaxaca

El queso se elaboró siguiendo el proceso establecido en la empresa (respetando la confidencialidad del proceso) se utilizaron diferentes cantidades de WC (0, 5, 8, 10, 12, 15 y 20 % volumen/volumen) y de WCP (0, 0.25 y 0.5 % peso/peso), calculo con base al volumen de leche utilizado. WC o WCP, según corresponda, se mezclaron con leche hasta completar 4 litros. Posteriormente se agregó el cuajo y se mantuvo a 35 °C por 2 h hasta la formación del coagulado, el cual se separó manualmente, luego se colocó en un recipiente con agua a 80 °C por 2 minutos, posteriormente se estiró manualmente para formar hebras, que es la principal característica del queso Oaxaca. Se observó cualitativamente la facilidad de procesamiento, así como la elasticidad de los quesos obtenidos, y se pesaron para obtener el rendimiento por litro de leche utilizada.

Análisis estadístico

El análisis estadístico de los resultados se realizó mediante un análisis de varianza de una vía (ANOVA) y posteriormente un análisis de comparaciones de medias utilizando la prueba de Tukey-Kramer, con nivel de significancia de 0.05.

Análisis fisicoquímico de leche y lactosueros de la empresa

Inicialmente se evaluaron las características fisicoquímicas de la leche y de los lactosueros obtenidos después de la elaboración de los quesos panela, Oaxaca y ranchero en la empresa fabricante de quesos (Tabla 1). Se observa que la composición de los tres lactosueros fue muy similar; el pH del lactosuero del queso ranchero fue más acido, en los lactosueros ácidos se ha reportado una menor cantidad de lactosa y proteína, que corresponde a los resultados obtenidos (^{Chandrapala et al., 2015}). El lactosuero de queso Oaxaca contenía una mayor cantidad de lípidos (0.29 %) y mayor a lo reportado en otras investigaciones (^{Bejarano-Toro et al., 2022}), se ha reportado que el 30 % de los lípidos de la leche son ácidos grasos insaturados, este grupo de ácidos merece especial atención debido a sus beneficios para la salud, en el sistema cardiovascular, la función inmunológica además de las propiedades anticancerígenas entre otras (^{Pereira, 2014}). El lactosuero del queso panela tuvo mayor contenido de sólidos (7.57 %) y mayor a datos reportados en otras investigaciones (^{Iltchenco et al., 2018}). Comparando la composición de la leche con la de los lactosueros, se observa que la leche tenía entre 2.4 y 2.8 veces más proteína que los sueros y entre 11 y 36 veces más de lípidos, y por ende mayor contenido de sólidos totales. Esto se explica porque durante la elaboración del queso, la grasa y parte de las proteínas se coagularon para producir el queso; sin embargo, entre el 36 y el 40 % de las proteínas quedó en el lactosuero; casi la totalidad de la lactosa, así como parte de los minerales. Es decir, queda un residuo rico en nutrientes que puede ser aprovechado ya sea para la misma elaboración de queso o en las industrias alimentaria y farmacéutica, ya que su valor biológico (medida en que los nutrientes son absorbidos y utilizados por el cuerpo) es incluso mayor que el del huevo (^{Arce-Méndez et al., 2016}).

Por otro lado, los resultados de la Tabla 1 concuerdan con lo reportado por otros autores (^{Iltchenco et al., 2018}; ^{Bejarano-Toro et al., 2022}), quienes han indicado que el suero contiene de 0.8 a 1.0 % de proteínas, 4.5-4.65 % de lactosa, 0.5 % de minerales, 0.5 % de grasa, 6.98 % de sólidos totales, 0.6-0.7 % de sales minerales y un pH de 6.49-6.52.

Obtención del lactosuero concentrado (WC), ultrafiltrado (UF) y lactosuero concentrado en polvo (WCP)

Debido a que las proteínas son termolábiles, no es conveniente someter al lactosuero a operaciones que impliquen calentamiento para su concentración, ya que las proteínas se pueden desnaturalizar. Por lo que la concentración del suero se realizó por ultrafiltración ya que se trata de una separación mecánica por peso molecular, por lo que el daño a las proteínas es mínimo (^{Solís et al., 2017}). Como resultado del proceso de ultrafiltración se obtuvieron dos fracciones el retenido (WC) y el permeado (UF), cuyo contenido de proteínas fue de 7.79% y 1.15% respectivamente (Tabla 2). Los resultados son mayores a otros reportes de sueros concentrados obtenidos por ultrafiltración, donde la proteína se cuantificó en 5.22 % y el pH de 5.79 para el retentado y 0.21 % de proteína y pH de 5.78 para el permeado (^{Kukucka & Kukucka, 2012}; ^{Proaño et al., 2021}).

Utilizando una membrana de ultafiltración de 10 kDa fue posible concentrar las proteínas, de allí el incremento que se observó en dicho parámetro en el lactosuero concentrado (WC), así como un incremento en los sólidos totales comparado con el permeado (UF). Esto se puede explicar porque entre y el 70 y 80 % de las proteínas totales son la α-lactoglobulina y la β-lactoglobulina, cuyo peso molecular es de 14.2 y 18.3 kDa respectivamente; el resto de las proteínas son albúminas séricas cuyo peso molecular es de 69 kDa (^{Kukucka & Kukucka, 2012}). En el caso de la lactosa, su peso molecular es de 342 g/ml, por lo que teóricamente no debería de encontrarse en el concentrado; sin embargo, en la Tabla 2 y Figura 1a se observa que si hubo presencia de lactosa en WC y WCP; esto puede explicarse porque en la superficie de la membrana de ultrafiltración se depositan componentes del suero dificultando la penetración de moléculas de bajo peso molecular como la lactosa; además ^{Tarapata et al. (2022}) explican que algunas propiedades fisicoquímicas como aumento de la fuerza iónica y el contenido de calcio en el lacto suero facilitan el ensuciamiento de la membrana.

De acuerdo con la Tabla 2, los parámetros medidos al WCP cumplen con los requerimientos de calidad establecidos en la Norma ^{CXS 289-1995}, a excepción del contenido de agua que fue ligeramente mayor a lo establecido en dicha Norma, por lo que se sugiere aumentar el tiempo de secado. Es importante destacar que para el lactosuero grado alimenticio se especifica que el contenido de proteína debe ser mínimo del 11 %, el WCP obtenido tiene un contenido de proteína del 47 %, supera en 4 veces el mínimo especificado; por lo que el producto que se puede obtener con el lactosuero de la empresa, después de una ultrafiltración y un secado por aspersión, tendrá un valor de venta mayor por ese alto contenido de proteína. El resultado obtenido es mayor al reportado por ^{Bejarano-Toro et al. (2022}) quienes obtuvieron 45 % de proteínas de un suero al someterlo al proceso de ultrafiltración con una membrana de 10 kDa.

Contenido de proteína y lactosa de los lactosueros WC, WCP y UFP

En la empresa productora de queso, cuando la oferta de leche disminuye, emplean hasta 1 % de leche en polvo para la formulación de sus productos; por ello, una vez obtenido el lactosuero concentrado, se secó para obtener el lactosuero en polvo y determinar el uso tanto del lactosuero concentrado (WC), como del lactosuero en polvo (WCP) para la elaboración de queso y reducir la utilización de leche en polvo. Para la deshidratación del WC se eligió un secador por aspersión, ya que el uso de este equipo presenta varias ventajas: asegura la uniformidad en el tamaño de partícula del producto (el tamaño uniforme de gránulo es un parámetro de calidad muy importante); la alta velocidad de secado minimiza el tiempo de contacto con el aire caliente, esto evita que las proteínas se desnaturalicen, mejorando la calidad del producto y con ello su competitividad en el mercado (^{Sosnik & Seremeta, 2015}). Las características del WCP así obtenido se muestran en la tabla 2 y se compararon con la Norma ^{CXS 289-1995}, que establece las especificaciones para el suero en polvo grado alimenticio.

Adicionalmente, el contenido de proteína y lactosa de WCP se comparó con el de los lactosueros en polvo comercialmente disponibles Ibero, Veyco y ProWinner 100 % suero de leche, este último es un producto de consumo popular entre los deportistas, dicha comparación se llevó a cabo mediante el análisis por espectroscopia FTIR. Debido a que la espectroscopía de IR es una técnica no destructiva, que prácticamente no requiere preparación de la muestra, además de su sensibilidad y selectividad, se ha convertido en una herramienta de elección para el análisis cualitativo y cuantitativo en la industria láctea, substituyendo métodos como el de Kjeldahl (^{Pereira et al., 2020}). En el análisis solo se consideraron las regiones del espectro donde se encuentras las señales características de las proteínas y la lactosa, ya que son los compuestos del lactosuero de mayor interés económico y nutricional. Las señales características de los grupos funcionales de lactosa se registran en la región de 900-1300 cm^-1, y las bandas correspondientes a los grupos amida I de las proteínas están entre 1500-1400 cm^-1, amida II entre 1300-1400 cm^-1 interacciones lípido proteína de 1600-1700 cm^-1 y lípidos de 1700 a 1800 cm^-1 (^{Solis-Oba et al., 2011}; ^{Pereira et al., 2020}; ^{Hong et al., 2021}).

En el espectro de IR (Figura 2a) se observa que el área de las señales correspondientes a las proteínas fue substancialmente mayor para el WCP que las de los lactosueros en polvo Ibero y Veyco, lo cual indica un mayor contenido de proteína en WCP (47 %); en el mismo espectro que observa que el contenido de lactosa fue mucho menor en WCP que en los otros dos productos. Lo anterior demuestra que el WCP es un producto con un mayor contenido de proteína con una baja concentración de lactosa, características que lo hacen más atractivo, nutricional y económicamente, que los lactosueros Ibero y Veyco, los cuales contienen 12 % de proteína. En cuanto al ProWinner, en la Figura 2a se observa que el contenido de proteína es mayor en este (79 %), mientras que el de lactosa es mayor en WCP.

En la Tabla 3 se muestra un comparativo del contenido de proteína de varios lactosueros en polvo altamente comerciales, así como el precio al consumidor; de esta información se puede observar claramente que el valor comercial del lactosuero en polvo es muy atractivo, sobre todo considerando que es un subproducto que normalmente es considerado como un desecho, además, su obtención es relativamente sencilla ya que con los procesos de ultrafiltración y secado por aspersión se recupera una alta proporción de las proteínas de la leche que no se quedaron en el queso, con un bajo contenido de lactosa. Por lo que, si la empresa invierte un poco más en investigación y desarrollo, podrá tener un producto con mayor cantidad de proteína y sin lactosa, tendrá ganancias extra por la comercialización del WCP, previa su caracterización para evaluar su estabilidad, capacidad de hinchamiento, solubilidad, distribución de tamaño, potencial Z, etc.

Asimismo, se comparó el WCP con las leches en polvo comerciales Nido, Novamil y Nan II, en la Figura 2b muestra los espectros FTIR correspondientes. En la Figura 2b se observa que WCP tiene un mayor contenido de proteína con respecto a las leches comerciales, por lo que WCP obtenido puede ser aprovechado en la empresa, ya que se obtiene un producto de mayor calidad nutricional que algunas leches en polvo comerciales. El contenido de lactosa de WCP fue igual que las leches Nido^® y Novamil^®; la mayor cantidad de lactosa se registró en la leche Nan II^®. La lactosa es un disacárido que se encuentra en la leche y es el carbohidrato más importante en la nutrición infantil (^{Vandenplas, 2015}).

De lo anterior se desprende que otro posible uso del lactosuero es la venta del WCP a empresas que fabrican fórmulas lácteas, estos productos están elaborados con proteína, lactosa y minerales de la leche de vaca, aceites vegetales y vitaminas. Como se observa en la Tabla 3, las posibles ganancias para la empresa son muy atractivas para promover su producto en otras áreas de la industria láctea.

Figura 2 a) Espectro FTIR de los lactosueros WCP, ProWinner^®, Ibero^® y Veyco^®; b) Espectro FTIR de WCP y leches en polvo Nido^®, Rabins^® y Nan II^®; c) Espectro FTIR de los lactosueros UFP, ProWinner^®, Ibero^® y Veyco^®. 

Por lo general se utiliza en mayor proporción el concentrado de proteína en polvo, debido a que contiene un mayor contenido de proteína que el filtrado, pero también se podría aprovechar este último en la industria lactea. El UF se liofilizó (UFP) para determinar si también puede ser aprovechado en la industria láctea, su espectro de FTIR se comparó con el de los sueros en polvo Veyco e Ibero, dichos espectros se muestran en la figura 1c. Se observa que el espectro del UFP es prácticamente igual que los otros lactosueros en polvo, y si se compara con el contenido de proteína y lactosa de las leches de la figura 1b se aprecia que son similares entre ellos. Esto indica que ambas fracciones que se obtienen de la ultrafiltración del lactosuero se pueden aprovechar, obteniéndose dos productos, el WCP que es un producto rico en proteína (47 %) y el UFP con un contenido de proteína del 12 %, ambos productos superan el requerimiento mínimo de 11 % de proteína establecido en la norma ^{CXS 289-1995}.

En 2018, el precio en Europa de la leche en polvo fue de 3018 dólares/tonelada y el de suero en polvo de 802 dólares/tonelada (https://www.canilec .org.mx/estadisticas%20lacteos%202019.pdf) De acuerdo con esta información, la empresa podría obtener un ingreso extra mediante la comercialización de ambos productos (WCP y UFP).

Formulación de queso Oaxaca con adición de WC o WCP

De acuerdo con los resultados obtenidos, el uso más inmediato que la empresa puede dar al lactosuero es integrarlo en la misma producción de queso; se evaluó el uso tanto del lactosuero concentrado líquido (WC) en diferentes cantidades, como del lactosuero en polvo (WCP), éste último para determinar si es posible que el uso de la leche en polvo, que ocasionalmente se emplea en la empresa cuando baja la oferta de leche, se pueda sustituir por lactosuero en polvo. Se hicieron varios preparados con diferentes cantidades de ambos lactosueros, WC y WCP.

En la Tabla 4 se muestra el rendimiento que se obtuvo al elaborar el queso tipo Oaxaca con las diferentes cantidades del WC, así como la consistencia y facilidad de procesamiento que se observó. Se encontró que el rendimiento de queso obtenido usando WC fue menor al rendimiento obtenido sin utilizar WC (0 %), y disminuyó al aumentar la cantidad de WC. El queso obtenido utilizando el 5 y 8 % de WC mostró una buena consistencia (elástica) y un buen procesamiento. Sin embargo, al aumentar la cantidad de WC por encima del 8 %, el producto obtenido fue cremoso y no permitió la formación de hebras, que es la característica principal del queso Oaxaca. Es importante mencionar que el lactosuero presenta una menor cantidad de proteínas y grasa que la leche, en este sentido las proteínas son las responsables de la alineación espacial de las hebras del queso, cuando la cantidad de proteínas disminuye dificulta el hilado del queso. Además, se ha reportado que la grasa también ayuda al hilado, ésta se distribuye siguiendo la orientación de las fibras de proteína, por lo que si baja la cantidad de estas grasas el hilado es deficiente (^{Ramírez-López & Vélez-Ruiz, 2012}). Debido a que el lactosuero tiene 55 % menor contenido de grasa que la leche, al hacer formulaciones incrementando el porcentaje de lactosuero, se va reduciendo la cantidad de lípidos en la masa, por ello cambia la consistencia y no es posible hacer el hilado característico del queso tipo Oaxaca. Esto explica porque al aumentar la cantidad adicionada de WC se obtuvo menor rendimiento de queso y su procesamiento fue malo; sin embargo, estadísticamente se obtuvo el mismo rendimiento al adicionar hasta el 12 % de WC; pero se recomienda usarlo máximo en 8 %, ya que es la máxima cantidad evaluada que permite obtener una buena consistencia elástica

También se evaluó el uso del WCP para formular queso Oaxaca y se comparó con una formulación usando el 1 % de la leche en polvo que utilizan en la empresa, los resultados se encuentran en la Tabla 5.

Se observó que usando el WCP el procesamiento y consistencia del queso fue igual que usando leche en polvo, pero el rendimiento de queso fue 4.1 % mayor usando 0.5 % de WCP comparado con el uso de 1 % de leche en polvo, probablemente debido a que WCP tiene un mayor contenido de proteínas en comparación con la leche en polvo. Usando 0.25 % de WCP se obtuvo el mismo rendimiento que usando 1 % de leche en polvo, sin diferencia estadística entre ellos.

En la elaboración de queso Oaxaca con 0.25 o 0.5 % de WCP la empresa tendría las siguientes ventajas: a) el producto presenta una buena incorporación de los componentes del lactosuero (grasa, proteínas, lactosa, minerales), b) permitió un buen procesamiento desde el punto de vista de formación de hebras, elasticidad y textura, c) hubo aumento del rendimiento, que a gran escala se traduce en mayores ganancias y d) pueden tener un ahorro económico por la reducción en la compra de leche en polvo. Dependiendo de la época del año, es la oferta y la demanda de leche, así como los precios, por ejemplo, en época de sequía o invierno la producción de leche es baja y los precios suben. Los resultados obtenidos indican se puede aprovechar el lactosuero en polvo para la producción de queso Oaxaca, cuando la oferta de la leche baja o los precios de esta suben.

Análisis fisicoquímico del lactosuero resultante del queso obtenido adicionando WC o WCP

De acuerdo con los resultados obtenidos, se recomienda que la empresa utilice hasta el 8 % de lactosuero concentrado (WC) y 0.5 % de lactosuero en polvo (WCP), ya que con estas cantidades el rendimiento, el procesado y la apariencia son similares a los obtenidos empleando únicamente la leche. Para determinar si los lactosueros que se vayan obteniendo de estas formulaciones se pueden seguir empleando en subsecuentes ciclos de producción, se analizó el lactosuero que se obtuvo después de la elaboración de queso Oaxaca con la adición de 8 % WC o 0.5 % WCP, sus propiedades fisicoquímicas se encuentran en la Tabla 6. Se observa que las características del lactosuero obtenido tras la adición de WC y WCP son muy similares a las del lactosuero resultante sin la adición de éstos. Lo cual indica que, sería importante que se llevara a cabo la elaboración del queso Oaxaca reutilizando los lactosueros resultantes, y analizar las características del queso resultante, de tal forma que se logre determinar que tantas veces se puede reciclar el suero. Esta posibilidad ofrecería a la empresa otra oportunidad de economizar y aumentar sus ganancias en cuanto a la fabricación del queso.