3. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS JB/LG
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Definición de leche Es el producto integro y fresco del ordeño completo de una o varias vacas sanas bien alimentadas y en reposo, libre de calostro y que cumple con las características físicas, químicas y bacteriológicas que se establecen. (Reglamento Bromatológico Nacional, 315/994) Leche es la secreción mamaria normal de animales lecheros obtenida mediante uno o más ordeños sin ningún tipo de adición o extracción, destinada al consumo en forma de leche líquida o a elaboración ulterior (Codex alimentarius, Norma266, 1999) La leche es un sistema complejo y heterogéneo cuyo componente mayoritario es el agua (solvente), los componentes en emulsión (grasas) y en suspensión (caseínas) 87% AGUA Grasa: 3,6 - 3,8% LECHE 12,5% ESTRACTO SECO TOTAL Proteínas: 3,3% Lactosa: 4,5% Minerales: 0,5- 0,8% Vitaminas 9% ESTRACTO SECO DESENGRASADO Definición y clasificación: Son esteres de ácidos grasos y compuestos relacionados que son solubles en disolventes orgánicos no polares pero insolubles en el agua Clasificación La mayor parte de la grasa de la leche esta constituida por triglicéridos (98%) • • 70% ácidos grasos saturados (palmítico, esteárico, mirístico) 30% ácidos grasos insaturados (Oleico) Alta proporción de ácidos grasos de cadena corta (rumiantes) • Características generales - La fase lipídica es discontinua - La leche es una emulsión de grasa en agua - Es el componente mas variable de la leche - Se encuentra en forma de pequeños glóbulos grasos (GG) 1. Principales componentes y forma de distribución MATERIA GRASA Características del glóbulo graso PROTEINAS - Aproximadamente el 95% del nitrógenos de la leche esta en forma de proteínas - Las caseínas son las proteínas mayoritarias en la leche (80%) - en forma de micelas - Compuesta por α s1, α s2, β, γ y қ caseína - Las proteínas del suero (20%) - α lacto albumina - β lacto globulina - Inmunoglobulinas (Igs) - Albúmina sérica - Proteasa-peptona - Otras minoritarias (enzimas) PROTEINAS MICELA DE CASEINA - Partícula en forma esférica de 40 a 300nm de diámetro - Constituida por 10 4 moléculas de caseína - Contiene materia inorgánica (fosfato cálcico) - Contiene pequeñas cantidades de otras proteínas (proteasas peptonas) - Son voluminosas (contienen mas agua que extracto seco) - Cargadas negativamente 1. Principales componentes y forma de distribución PROTEINAS Modelo esquemático de una Micela de caseína Submicela Micela de caseína Protuberancias de k caseina (Walstra 1979) PROTEINAS Қ caseína SUBMICELA DE CASEÍNA - Forman parte de la micela de caseína - Se encuentran en forma de agregados pequeños y esféricos (caseína en disolución y bajo Ca iónico) - Miden 12-15nm de diámetro - Contienen 20-25 moléculas de caseína (hay sin y con k caseína) - Las moléculas de caseína se mantienen unidas mediantes enlaces hidrofóbicos y puentes salinos αs1 αs2 β Las submicelas en presencia de Ca y P se agregan y se forma la micela de caseína. *1 PROTEINAS La caseína en la leche se encuentra en forma de micela CASEÍNAS - Son hidrofóbicas - Precipitan a pH 4,6 por lo que no son solubles a su punto isoeléctrico - Poseen cargas elevadas - Contiene fosfato cálcico coloidal - Contienen muchos residuos de prolina y pocos de cisteína - Casi no presentan estructura terciaria *2 - Las caseinas α, β, y қ se pueden asociar (propiedad muy importante) *3 1. Principales componentes y forma de distribución LACTOSA Características generales - Carbohidrato mayoritario en la leche - Azúcar característico de la leche - Disacárido compuesto por glucosa y galactosa. La lactosa es un azúcar reductor - Es el componente mas estable de la leche 1. Principales componentes y forma de distribución LACTOSA Aspectos biológicos - Principal constituyente sólido - Componente mas abundante, mas simple, mas constante - Sintesis en la glándula mamaria - Factor limitante en la producción de leche - Solubilidad reducida (comparada con el resto de los azúcares) - Bajo poder edulcorante 1. Principales componentes y forma de distribución LACTOSA Aspectos biológicos - Influye en las propiedades coligativas - Presión osmótica - Punto de congelación (disminuye) - Punto de ebullición (aumenta) 1. GENERALIDADES 2. PROPIEDADES FISICAS Y FISICO-QUÍMICAS DE LA LECHE • DENSIDAD • TENSIÓN SUPERFICIAL • VISCOSIDAD • CALOR ESPECÍFICO • pH y ACIDEZ • POTENCIAL OXIDO-REDUCCIÓN •PUNTO CRIOSCÓPICO •PUNTO DE EBULLICIÓN •PROPIEDADES ÓPTICAS La leche es una dispersión coloidal compleja que contiene glóbulos grasos, micelas de caseína, proteínas del lactosuero en una solución acuosa de lactosa, minerales y otros compuestos menores ¿Qué son las propiedades fisicoquímicas de la leche? Son el conjunto de parámetros físicos y químicos cuyos valores permiten caracterizar un alimento La composición química característica determina la distintas constantes físicoquímicas de la leche Son de interés para determinar la calidad y autenticidad de la sustancia ¿Por qué conocer las propiedades físico-químicas? - Diseño de los equipos - Determinar la microestructura de la leche - Dilucidar reacciones químicas complejas - Evaluar la calidad de la leche Propiedades que depende del total de los componentes: •DENSIDAD •TENSIÓN SUPERFICIAL •CALOR ESPECÍFICO •VISCOSIDAD Propiedades que dependen de las sustancias disueltas: •ÍNDICE DE REFRACCIÓN •PUNTO CRIOSCÓPICO Propiedades que dependen de los iones: •pH •CONDUCTIBILIDAD Propiedad que depende de los electrones: •POTENCIAL REDOX DENSIDAD (p) Es la masa de cierta cantidad de un material dividido por su volumen Se expresa en g/ml Se simboliza con la letra p y debido a que esta propiedad depende de la temperatura se expresa como p20 Densidad de la leche Propiedad física resultante de la influencia de todos sus componentes a una temperatura dada DENSIDAD Densidad Absoluta: Masa de la unidad de volumen Expresa la masa que tiene un volumen conocido Se toma como patrón, valor 1, la densidad del agua (masa de 1 dm3 = 1Kg) Densidad Relativa o gravedad específica En leche se relacionan las masas de leche y agua, de un mismo volumen, a 15º C DENSIDAD Leche entera: 1,027 y 1,033 g/ml Leche descremada: 1,033 y 1,036 g/ml Valores de los componentes de la leche: Agua: 1,0 Grasa: 0,93 Sólidos No Grasos: 1,62 Lactosa:1.666 Proteína: 1,3465 Minerales: 5,5 DENSIDAD Factores de variación 1. Composición 2. Temperatura (la densidad disminuye con el aumento de temperatura) 3. Inclusión de aire (aire queda atrapado y se libera lentamente) 4. Efecto recknagel (cambios en el agua ligada a las proteínas, precipitación de las sales y a las variaciones en el estado de la grasa) DENSIDAD Factores de variación Disminuye: Aumenta: adición de agua agregado de M.G aumentar la temperatura (varía la lectura) Descremado bajar la temperatura (varía la lectura) DENSIDAD Factores de variación DENSIDAD Métodos para su determinación 1. Peso de un volumen fijo (medida de la densidad absoluta y relativa) PICNÓMETRO BALANZA DE MOHR-WESTPHAL 2. Volumen de un peso fijo (medida de la densidad relativa, ya que la escala esta establecida en función del agua a 15°C) TERMOLACTODENSÍMETRO La densidad debe determinarse en leche bien homogeneizada y sin espuma incorporada DENSIDAD Métodos para su determinación DENSIDAD Utilidades de importancia tecnológica Calcular el peso de la leche requerido para un proceso Control de calidad Desviaciones de la composición Adulteraciones de la leche (aguado, descremado) Normalizar el contenido de materia grasa Extracto seco y sus constantes Conjunto de sustancias que componen la leche exceptuando el agua (EST) Extracto Seco Desengrasado (ESD) es mas constante debido a que se retira el componente más variable de la leche (MG) ESD = EST - MG Extracto seco y sus constantes El ESD es de valor muy constante a diferencia de la Materia Grasa. Existen fórmulas que permiten calcular el contenido en ES conociendo: materia grasa/kg de leche y densidad a 15ºC Fórmula de Giribaldo Peluffo EST= 282(D-1)+1,19G ESD= 282(D-1)+0,19G Así se evita directa del ES la determinación EST leche bovina=12,3% 8,5% sospecha de aguado Propiedades que depende del total de los componentes: •DENSIDAD •TENSIÓN SUPERFICIAL •CALOR ESPECÍFICO Propiedades que dependen de las sustancias disueltas: •ÍNDICE DE REFRACCIÓN •PUNTO CRIOSCÓPICO Propiedades que dependen de los iones: •pH •CONDUCTIBILIDAD Propiedad que depende de los electrones: •POTENCIAL REDOX TENSIÓN SUPERFICIAL En una interfase líquido–aire el comportamiento de las moléculas es diferente que en una fase líquida. En una fase líquida las moléculas están sujetas a fuerzas de atracción iguales en todas las direcciones por otras moléculas del líquido En la interfase liquido-aire existe una fuerza de atracción neta dirigida hacia todas partes del líquido (atracción hacia el cuerpo del líquido) Disminuyen las moléculas en la superficie del líquido, resultando en una disminución del área interfacial. El líquido se comporta como si tuviera una membrana invisible TENSIÓN SUPERFICIAL En una interfase líquido–aire el comportamiento de las moléculas es diferente que en una fase líquida. TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial que actúa en un líquido puede ser considerada de dos maneras: Fuerza por unidad de distancia que actúa en una distancia dada de una superficie Trabajo requerido para incrementar el área de una superficie en una unidad definida como energía libre interfacial se expresa como: joules/ m2 o Newton/m TENSIÓN SUPERFICIAL Se expresa en dinas/cm Tensión superficial de diferentes líquidos medida a 15°C Tensión superficial (dinas/cm) Leche entera 47-53 Leche descremada 52-57 Lactosuero 52-55 Agua 75 TENSIÓN SUPERFICIAL Factores que la influyen Disminuye: Aumenta: Aumenta la temperatura Aumenta la lipólisis Homogeinización de la leche Tratamientos térmicos Disminuye la temperatura Edad de la vaca Aumento de la acidez Propiedades que depende del total de los componentes: •DENSIDAD •TENSIÓN SUPERFICIAL •CALOR ESPECÍFICO Propiedades que dependen de las sustancias disueltas: •ÍNDICE DE REFRACCIÓN •PUNTO CRIOSCÓPICO Propiedades que dependen de los iones: •pH •CONDUCTIBILIDAD Propiedad que depende de los electrones: •POTENCIAL REDOX CALOR ESPECÍFICO Cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa a una sustancia para elevar su temperatura en 1°C Gran importancia en la industria láctea (cálculos para tratamientos térmicos) Se mide en cal/g°C Depende de: • Composición • Humedad • Temperatura • presión CALOR ESPECÍFICO Citado por Alais, (1985) VISCOSIDAD Resulta del frotamiento de las moléculas Es la resistencia mas o menos grande que presentan los líquidos a fluir La viscosidad absoluta (n) se expresa en centipoises La leche es mas viscosa que el agua debido a: • La materia grasa esta en forma globular • Macromoléculas proteicas • Sustancias disueltas Leche entera > Leche descremada > Agua VISCOSIDAD ¿Cómo afectan los diferentes componentes de la leche en la misma? PROTEINAS • Cantidad • Dimensiones de sus partículas • Grado de hidratación GRASA • Tamaño de las partículas • Conglomeración VISCOSIDAD Factores que la influyen Todas las modificaciones sobre la Materia grasa y proteínas afectan la viscosidad Disminuye: Aumenta: Aumenta la temperatura pH disminuye por debajo de 6,0 Enzimas coagulantes (al principio) aguado Disminuye la temperatura Enzimas coagulantes Tratamiento térmico B.A.L. pH mayor a 12.0 VISCOSIDAD Factores que la influyen Alais, (1985) VISCOSIDAD Utilidades e importancia tecnológica Cálculo de bombas y tuberías (diseño de procesos de flujo) Comercialización (cremas: se asocia la viscosidad con la calidad de la MG) Intensidad de los tratamientos térmicos Control de calidad de derivados lácteos Equilibrio ácido-básico La capacidad buffer de la leche influye sobre muchas propiedades físicoquímicas durante el procesamiento La estabilidad al calor y frente al etanol Tiempo de coagulación de la enzima (cuajo) Firmeza y sinéresis de los geles formados por la coagulación de la leche con la enzima coagulante pH final del queso y los cambios durante la maduración Equilibrio ácido-básico La leche contiene varios grupos ácidos y básicos que actúan como buffer en un amplio rango de pH • Caseínas • Fosfato cálcico coloidal • Fosfato soluble • Citratos, Bicarbonato pH y propiedades buffer de la leche Es el -log de la concentración de H+ H+ libres de las sustancias ácidas en solución El valor de pH representa la acidez actual o real de la leche fresca El pH es el responsable de la estabilidad de la caseína Rango normal en leche entera 6,6 a 6,8 ¨¨ Debido a: • Caseínas • Fosfatos • Algunos ácidos (fosfórico y cítrico) pH y propiedades buffer de la leche Factores de variación No es un valor constante Ciclo de lactación Alimentación (contenido en citrato/fosfatos), relación Ca/P, Ca/Mg Especie: • composición (especialmente caseínas y fosfatos) Del pH depende la estabilidad de las caseínas pH y propiedades buffer de la leche Métodos de evaluación Medidor potenciómetrico (pH-metro) Papel indicador Reacciones colorimétricas pH y propiedades buffer de la leche Utilidades e importancia tecnológica Controlar procesos microbiológicos y enzimáticos durante la transformación de la leche Control para los tratamientos térmicos * ACIDEZ Tipos de acidez en la leche Acidez actual o verdadera (pH) Acidez natural Acidez total o de valoración Acidez desarrollada ACIDEZ Acidez titulable o de valoración La acidez total es debida a una suma de tres reacciones fundamentales y a una cuarta de carácter eventual. Acidez proveniente de la caseína (2/5) Acidez debida a las sustancias minerales y a la presencia de ácidos orgánicos (ej. ácido. cítrico) (2/5) Reacciones secundarias debidas a los fosfatos presentes en la leche con liberación de ácido fosfórico (1/5) “Acidez desarrollada” debida al ácido láctico y a otros ácidos procedentes de la degradación microbiana de la lactosa, en el proceso de alteración. ACIDEZ Acidez titulable o de valoración Las tres primeras representan la “acidez natural” de la leche La cuarta puede existir debido a condiciones higiénico-sanitarias no adecuadas La determinación de la acidez de la leche es una medida indirecta de la calidad higiénica de la misma ACIDEZ Acidez titulable o de valoración La acidez de valoración es la suma de dos componentes (natural y desarrollada) El valor de la acidez desarrollada es el que interesa en la práctica Se utiliza la valoración anterior como un criterio arbitrario para la determinación de la “acidez total de la leche”. La acidez titulable mide: • La capacidad de regulación de la leche Cantidad de acido láctico producido por las bacterias acidificantes • ACIDEZ Acidez titulable o de valoración Se mide mediante la neutralización Mide todas las reacciones ácidas presentes en la leche La neutralización se realiza con una solución alcalina de concentración conocida El valor normal para una leche fresca es de 0,14-0,16% de ácido láctico Se puede expresar en grados Dörnic (°D), Grados Soxhlet -Henkel (°SH) ó Grados Thorner-Pffeifer (°TP) ACIDEZ TITULABLE O DE VALORACIÓN Factores de variación Contenido en Sólidos no grasos (SNG)* Período de lactación ** Alimentación *** Leches alteradas (viejas, patógenas, aguadas) **** Raza (depende de la riqueza de caseínas y fosfatos) Lipólisis (acidificación en productos ricos en grasa) ACIDEZ TITULABLE O DE VALORACIÓN Utilidad e importancia tecnológica Estimar la frescura de la leche Monitorear la producción de ácido láctico durante los procesos fermentativos pH vs. Acidez valoración Significado comparado del pH y de la acidez de valoración POTENCIAL OXIDO-REDUCCIÓN Generalidades La oxidación se define como la pérdida de electrones y la reducción como la ganancia de los mismos Una sustancia que causa la oxidación de otra se llama oxidante y debe aceptar electrones de la sustancia que oxida, (y esta se reduce) Una sustancia que causa la reducción de otra se llama reductora y ella misma se oxida durante la reacción POTENCIAL OXIDO-REDUCCIÓN Generalidades Se expresa como εh La leche fresca tiene un valor normal de εh entre +0,20 y +0,30v ó +250 y 300mv En la leche es una medida de cantidad de energía que se libera en procesos de cesión y captación de electrones POTENCIAL OXIDO-REDUCCIÓN En las propiedades óxido-reductoras de la leche intervienen: Oxígeno(O2) disuelto Responsable en gran parte del potencial redox positivo de la leche cruda • Si se desairéa la leche el Eh disminuye a +0,05v • Sistema Xantín-Oxidasa Sistema reductor natural • Se determina mediante el potencial redox • Esterilización • Aparece un nuevo sistema reductor • Activación de grupos –SH (el descenso del potencial es paralelo al aumento del sabor a cocido) • Actividad antoxidante POTENCIAL OXIDO-REDUCCIÓN Factores de variación Tratamiento térmico Disminuye con el calentamiento • Sustancias reductoras producidas durante la reacción de Maillard • Disminuye el O2 y disminuye el Eh , menor oxidación del ácido ascórbico y mayor retención de sustancias reductoras • Actividad bacteriana • Metabolismo bacteriano disminuye el O2 Contaminación con iones metálicos (Cu) Concentración de O2 Exposición a la luz SUSTANCIAS FISICAS RELATIVAS A LA SOLUCIÓN PUNTO DE CONGELACIÓN El punto de congelación de la leche es de -0,555 * /** La leche se congela por debajo de 0°C porque las sustancias disueltas rebajan el punto de congelación de los disolventes puros Varía con los tratamientos térmicos (pasteurización o desodorización)** SUSTANCIAS FISICAS RELATIVAS A LA SOLUCIÓN PUNTO DE EBULLICIÓN El punto de ebullición de la leche es de 100,17°C a 100,15°C Este valor no se determina en la práctica SUSTANCIAS FISICAS RELATIVAS A LA SOLUCIÓN CONDUCTIBILIDAD ELECTRICA La conductibilidad de la leche es mayor que la del agua* El aguado disminuye la conductibilidad y las leches patológicas la aumenta ** PROPIEDADES ÓPTICAS TRANSMISIÓN DE LA LUZ COLOR-TURBIDEZ REFRACCIÓN PROPIEDADES ÓPTICAS TRANSMISIÓN DE LA LUZ La leche no presenta una absorción característica en la parte del espectro correspondiente a la luz visible (400-700nm) Contiene sustancias orgánicas que presentan bandas de absorción por debajo de 300nm (zona UV) y por encima 750nm (zona infrarroja) PROPIEDADES ÓPTICAS COLOR La leche es un líquido opalecente que parece blanco si el espesor es suficiente Este aspecto característico se da por la dispersión de la luz visible, debido a : Micelas de caseína de fosfocaseinato de calcio • Glóbulos grasos que dispersan igualmente la luz, (intervienen poco en la opalescencia blanca) • La leche contiene dos pigmentos principales: • CAROTENO (colorea la fase grasa) • RIBOFLAVINA: pigmento amarillo-verdoso fluorescente (lactosuero) PROPIEDADES ÓPTICAS INDICE DE REFRACCIÓN (IR) La refracción es una propiedad aditiva La contribución de las sales es despreciable y la materia grasa fuera de la fase continua no interviene Es una valoración indirecta de la lactosa (no aplicable en leches en proceso de acidificación) PROPIEDADES ÓPTICAS INDICE DE REFRACCIÓN (IR) Depende de: Minerales • Lactosa • Caseínas • Proteínas del suero • El IR es proporcional a la concentración de solutos en determinado volumen Se utiliza para determinar sólidos no grasos (SNG) en leche y leche condensada Varia con la temperatura y la amplitud de onda El índice es constante y sirve para determinar la pureza de una sustancia o mezcla de sustancias Alais, C. 1985. Ciencia de la Leche: Principios de Técnica Lechera. Ed. Reverté. Barcelona. Walstra, P. y Jenness, R. 1987. "Química y física lactológica". Ed. Acribia. Zaragoza. Walstra, P., Geurts, T.J., Noomen, A., Jellema, A. (2001). Ciencia de la leche y tecnología de los productos Lácteos. Ed. Acribia Amiot, J., 1991. Ciencia y Tecnología de la Leche. Principios y aplicaciones. Editorial Acribia S. A. Zaragoza. España
