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versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. vol.26 no.5 La Serena  2015

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642015000500010 

Extracción de Proteínas del Lactosuero de la Leche de Cabra Mediante la Aplicación de Campos Eléctricos Pulsantes de Alta Intensidad (CEPAI)

 

Goat Milk Whey Protein Extraction by Applying Pulsed Electric Fields of High Intensity (PEF)

 

Diego F. Tirado*, Diofanor Acevedo y Piedad M. Montero

Universidad de Cartagena, Facultad de Ingeniería, Departamento de ingeniería de Alimentos, Grupo de Investigación NUSCA, Avenida el Consulado, Calle 30 No. 48-152. Cartagena, Bolívar-Colombia.

(e-mail: dtiradoa@unicartagena.edu.co)

* autor a quien debe ser dirigida la correspondencia


Resumen

Se estudió la técnica de aplicación de campos eléctricos pulsantes de alta intensidad (CEPAI) en la separación de la proteína del lactosuero fresco de leche de cabra. Para ello, se construyó un equipo prototipo de laboratorio. Se estandarizaron los voltajes, amperajes y tiempos de descarga, utilizando tres tipos de material: titanio, tungsteno y acero inoxidable, siendo este último el que mejor resultado mostró, ya que no hubo contaminación electrolítica de la muestra. En los experimentos se usó corriente alterna y corriente directa. Se realizaron análisis fisicoquímicos, microbiológicos y pruebas de conductividad a los materiales a utilizar. El método CEPAI resultó ser un buen mecanismo para tratar lactosuero de desecho de la industria láctea. También resulto ser un método eficaz en la obtención de fracciones de proteína con potencial uso en la industria alimentaria.

Palabras clave: campos eléctricos pulsantes, proteína de lactosuero, voltaje, amperaje


Abstract

The technique of pulsed electric fields of high intensity (PEF) in the separation of whey protein fresh goat milk was studied. For this, a lab equipment was constructed. Voltages, amperages and download times were standardized using three types of material: titanium, tungsten and stainless steel. The latter showed to be the best since there was not electrolytic pollution of the sample. In the experiments alternate current and direct current were used. Physico-chemical, microbiological and conductivity tests were performed. The method of PEF turned out to be a good mechanism to treat waste whey from the dairy industry. It also shows to be an effective method for obtaining protein fractions with potential use in the food industry.

Keywords: pulsed electric fields, whey protein, voltage, amperage


 

INTRODUCCIÓN

La aplicación de campos eléctricos pulsantes de alta intensidad (CEPAI) es una técnica desarrollada en la conservación de alimentos mediante proceso no térmico, con la que se obtiene un producto de gran calidad parecido al producto fresco. Esta técnica, cada vez más estudiada y perfeccionada, debe su importancia a la capacidad de estabilizar alimentos sin variar la calidad original, a diferencia de los procesos térmicos que suelen tener efectos negativos, como la alteración de las propiedades organolépticas y las pérdidas de nutrientes termolábiles de los alimentos (Spilimbergo et al., 2014; He et al., 2014; Fernández et al., 2010). La técnica se basa en la propiedad que tienen los alimentos fluidos, que están compuestos principalmente por agua y nutrientes como vitaminas, triglicéridos y minerales, de ser muy buenos conductores eléctricos debido a las altas concentraciones de iones que contienen y a su capacidad de transportar cargas eléctricas (Fernández et al., 2010).

El sistema CEPAI consta de varios componentes, entre ellos un interruptor, una fuente de potencia, una cámara de tratamiento, un banco de condensadores, equipo de medición de voltaje, temperatura, corriente y equipo de envasado aséptico (Raventós, 2010). Resultados de varios estudios indican que la intensidad de campo, la duración, la cantidad y la forma del pulso son las principales variables que afectan a la actividad de las proteínas (Lin et al., 2013; Ojeda-Armaignac et al., 2012; Peña et al., 2010). Los primeros estudios de aplicación de CEPAI se centran en la esterilización a baja temperatura, sin embargo, hasta hace poco, se descubrió que esta técnica puede ser ampliamente utilizada para extraer ingredientes a partir de productos naturales, con las ventajas de rendimiento no térmico, rapidez, eficiencia, bajo consumo de energía y baja contaminación (He et al., 2014).

El suero lácteo o lactosuero es considerado un contaminante importante en las aguas residuales lácteas y un problema ambiental para resolver (Sarbon et al., 2015; Rico et al., 2015). Además, este subproducto del proceso de elaboración del queso retiene cerca del 55% de los nutrientes de la leche (Kinsella y Whitehead, 1989; Morr y Foegeding, 1990), dentro de los cuales se encuentran proteínas séricas de un apropiado balance en aminoácidos, alta digestibilidad y excelentes características funcionales, lo que ha inducido al desarrollo de procesos de fraccionamiento y concentración de los constituyentes del mismo (Kinsella y Whitehead, 1989; Durham et al., 1997). En algunos países la aplicación de procesos de fraccionamiento y concentración en el tratamiento del suero ha permitido obtener concentrados con un contenido proteínico entre 30 y 80%, los cuales están siendo empleados para el enriquecimiento de alimentos como el pan, sopas y bebidas, contribuyendo a aliviar las deficiencias proteínicas provocadas por el desmedido crecimiento poblacional, y por la escasez y encarecimiento de los alimentos proteínicos convencionales (Morr y Foegeding, 1990).

Chacón (2005) estimó un aumento en la existencia de más personas en el planeta que consumen leche de cabra, a las que consumen cualquier otro tipo de leche, tal es el caso, que la FAO proyectó que para el año 2000 la demanda mundial de leche de cabra sería de 242 millones de toneladas, contra una oferta estimada de 177,6 millones de toneladas, en su mayoría producida en los países tropicales en desarrollo (entre ellos Colombia), donde se ubica el 95% de la población caprina. Económicamente, la leche de cabra es importante en muchas regiones, representando el 2% de toda la leche comercializada a nivel mundial. Lo anterior, indica que el aumento de la producción y transformación mundial de leche de cabra, trae consigo la potencial contaminación por sus productos, entre ellos el lactosuero (Acevedo et al., 2015).

El suero lácteo presenta importantes contenidos de proteína, grasa, lactosa y calcio (Sarbon et al., 2015; Acevedo et al, 2014; Miranda-Miranda et al., 2009). En relación al contenido proteínico, las proteínas séricas de la leche son globulares (Benítez et al., 2008); entre ellas, las presentes en mayor cantidad son la β-lactoglobulina (β-LG) y la a-lactoalbúmina (α-LA) y como constituyentes menores se encuentran lactoferrina, lactoperoxidasa, inmuno- globulinas y glicomacropéptidos, entre otras (Van de Voorde et al., 2014; Alvarado-Carrasco y Guerra, 2010). A pesar que el lactosuero, por ser un abundante y fácilmente disponible subproducto de la industria del queso, una vez fue considerado como material de desecho, ahora se considera como una fuente valiosa de proteínas y se utiliza ampliamente como un ingrediente alimentario (Sarbon et al., 2015). Para la obtención de las proteínas lactoséricas diversas técnicas y métodos han sido empleados, tales como la ultrafiltración (Van de Voorde et al., 2014; Marcelo y Rizvi, 2008). También ha sido factible el uso de ácidos como catalizadores en la precipitación proteínica y el empleo de tratamientos térmicos (Jakymec et al., 2001; Uribarrí et al., 2004), siendo este último, el proceso más antiguo utilizado para la recuperación (Uribarrí et al., 2004). La industria alimenticia, y láctea en particular, se ha interesado siempre por encontrar nuevos métodos para la conservación de los alimentos con el objeto de mejorar la higiene y seguridad del producto final, aumentar su vida útil y mantener un sabor natural en los mismos (Van de Voorde et al., 2014; Sarbon et al., 2015). El objetivo del presente trabajo fue estudiar la técnica de aplicación CEPAI en la separación de la proteína del lactosuero fresco a partir de leche de cabra usando un prototipo construido para este fin. Lo anterior con el propósito de encontrar mecanismos que ayuden a tratar un efluente de la industria láctea, al mismo tiempo que se obtienen fracciones con potencial uso en la industria alimentaria como materia prima de alimentos para consumo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Prueba de conductividad eléctrica

Se aplicaron pruebas de conductividad eléctrica al titanio, tungsteno y acero inoxidable H14, materiales preseleccionados para la construcción de la cámara. Estos materiales se escogieron por tener alta conductividad eléctrica (Callister, 2002), y además producir baja contaminación electrolítica (Esteban et al., 2011; Anguiano et al., 1996).

Material de construcción del prototipo

Los electrodos fueron de sacrificio, según la Ley de Faraday, debido a que en el proceso electrolítico migran hacia el seno del agua residual los iones que desestabilizan los coloides (Marriaga-Cabrales y Machuca-Martinez, 2014), por ello se hizo un estudio preliminar para su correcta selección tal como lo han hecho otros autores (Dávila et al., 2009a; 2009b; 2011). La selección del material para construir el prototipo se basó en el que mejor resultado diera al momento de reaccionar con el lactosuero, ocasionando menor contaminación electrolítica según metodología de Ojeda-Armaignac et al., (2012). Las pruebas se realizaron usando una fuente de 110 voltios (V) y 20 amperios (amp). Luego de escoger el material con mejores resultados se procedió a la construcción del prototipo y estandarización de los voltajes, amperajes y tiempos de descarga con respecto al volumen (Dávila et al., 2011). La estandarización del volumen con el cual se debía trabajar, estaba basado en la capacidad de la cámara, pues volúmenes menores podrían ocasionar desviación en los resultados esperados.

Estandarización del proceso

Para la determinación de voltaje, amperaje y tiempo de descarga adecuado se realizaron pruebas con diferentes voltajes en intervalos de tiempo regulando el amperaje hasta seleccionar el método más eficaz de acuerdo a la observación de la precipitación y reacciones químicas de las proteínas del lactosuero (Dávila et al., 2009a; 2011). Se hizo una filtración de las muestras tratadas con CEPAI para separar la fase sólida de la acuosa, luego se secaron y pesaron las proteínas extraídas. Finalmente se determinó el porcentaje de extracción, calculando así el rendimiento (Marriaga-Cabrales y Machuca-Martinez, 2014).

En busca de determinar el método más eficaz en la precipitación y obtención de proteínas del lactosuero de leche de cabra se realizaron pruebas con voltajes de 110, 220 y 600 V; y amperajes de 20, 30, 40, 50, 60, 70, y 80 Amp en corrientes AC y DC, utilizando una fuente, y dos tipos de soldadura industrial. Las descargas se realizaron en intervalos de 10 segundos con el propósito de establecer el tiempo de descarga en cada pulsación, permitiendo así estandarizar tiempo, amperaje y voltaje; referenciado en la precipitación de las proteínas séricas (Dávila et al., 2009a; 2011; Ojeda-Armaignac et al., 2012; Marriaga-Cabrales y Machuca-Martinez, 2014). Una vez terminada la descarga se midieron la temperatura y pH a cada una de las muestras de lactosuero, con el objetivo de controlar estas variables, pues ellas tienen efectos de desnaturalización de las proteínas séricas a temperaturas superiores a los 60 °C y pH de 6,5, lo que conllevaría a la no consecución de los objetivos planteados (Dávila et al., 2009a; 2009b; 2011).

Extracción de proteínas de lactosuero

Realizados los tratamientos con CEPAI a las muestras del lactosuero se separó la fase sólida de la acuosa por medio de una filtración con papel transmembrana. Para la determinación del porcentaje de extracción de proteínas del lactosuero de leche de cabra utilizando CEPAI se procedió a trasladar los materiales sólidos que quedaron en el papel filtro (proteínas séricas) a un vidrio de reloj previamente tarado, posteriormente se pesaron cada una de las muestras y se registraron los pesos indicados en la balanza analítica Ohaus Adventure con precisión de 0,0001 g. Luego se llevaron a una cámara de secado a temperatura de 50 °C por tres horas, pues al momento de retirarlos del papel filtro contenían un porcentaje de humedad que podía influir en el rendimiento. Al cabo de las tres horas se retiraron las muestras de la cámara y se dejaron enfriar a temperatura ambiente y nuevamente se tomaron los pesos correspondientes a cada muestra para así realizar los cálculos de rendimiento (Dávila et al., 2009b).

Pruebas microbiológicas y determinación del contenido proteínico

Para demostrar la efectividad del método se implementaron pruebas microbiológicas y determinación del contenido proteínico del lactosuero antes y después de aplicar CEPAI. La determinación proteínica se realizó por el método Kjeldahl (A.O.A.C., 2003) y las pruebas microbiológicas se determinaron mediante conteo de Aerobios mesófilos en Plate Count (UFC/mL) y coliformes totales en caldo EMB (UFC/mL). Cabe aclarar que los análisis se practicaron al lactosuero fresco y al residuo líquido remanente después de la filtración.

Diseño experimental y tratamiento de datos

Se empleó un diseño experimental completamente al azar en donde las variables manipuladas (variables independientes) fueron: material de construcción, tipo de corriente (AC o DC), voltaje, amperaje, tiempo de electrocoagulación; y las variables medidas (variables dependientes) fueron: contaminación electrolítica, rendimiento de extracción, temperatura, pH, calidad microbiológicas y determinación del contenido proteínico.

En el estudio se llevó a cabo un muestreo aleatorio dirigido, y se empleó un diseño aleatorio completamente al azar. Las determinaciones se efectuaron por triplicado y los resultados expresados como la media con su desviación estándar. Se utilizó el programa PHARM/PCS versión 4, se calcularon la media y la desviación estándar de los resultados en los análisis efectuados.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Material de construcción del prototipo

En la selección del material para la construcción de la cámara continua se observó que el electrodo de tungsteno presentó electrólisis, por lo tanto no es recomendable para este proceso (Orozco et al., 2013; Gallegos et al., 2012). Con el electrodo de titanio se manifestó una contaminación electrolítica, ya que hubo un severo desprendimiento de partículas que producen una contaminación de la muestra mostrando un color verde oscuro, mientras que con el acero inoxidable tipo H14 los resultados fueron positivos, ya que no hubo contaminación electrolítica ni electrólisis, por esta razón se decidió construir la cámara con este material.

Estandarización del proceso

Después de realizadas las pruebas con los diferentes voltajes y amperajes referenciando el tiempo de descarga y el tipo de corriente, se pudo determinar que los tratamientos realizados a las muestras utilizando AC y variando voltajes y amperajes junto con los tiempos de descarga no fueron efectivos, pues la precipitación de las proteínas se dio a pequeña escala.

En la aplicación de DC combinando los voltajes de 110 y 220V con amperajes de 20, 30, 40, 50, 60, 70 y 80, con intervalos de 10 segundos de descarga se pudo observar que el tratamiento utilizado no logró precipitar las proteínas de lactosuero, por lo tanto de decidió experimentar con un voltaje mayor (600 V). Se utilizó un equipo TIG de soldadura industrial, al cual se le graduaba el amperaje, y de esta forma se analizó cada muestra variando amperios y tiempo hasta llegar a la estandarización deseada. Se evidenció, que la eficiencia en la extracción incrementó con el aumento de densidad de corriente al igual que lo reportan otros autores. Arango y Garcés (2007) trataron de determinar niveles óptimos de pH, densidad de corriente y tiempo durante la electrocoagulación de aguas de la industria láctea. Estos autores, durante las pruebas exploratorias probaron electrodos de sacrificio y variaron el pH y la densidad de corriente, midiendo extracciones de sólidos a diferentes tiempos, encontrando que la eficiencia en la extracción incrementa con el aumento de densidad de corriente y el tiempo, al igual que en este estudio.

En este trabajo, inicialmente se logró estandarizar el tiempo, el cual fue de 20 segundos, pues al dejar más tiempo las descargas se presentó un pardeamiento severo de las proteínas séricas precipitadas en la cámara. Posteriormente se probó cada amperaje hasta encontrar el método más adecuado. Al final se pudo determinar que los parámetros que mejor resultado ofrecieron fueron 20 segundos, 60 Amp y 600 V con DC, ya que obtuvo una mayor precipitación y no se presentó pardeamiento en el producto, a diferencia de los tratamientos con 70 y 80 Amp, en los cuales se observó mayor precipitación pero también carbonización de las proteínas, dado que la temperatura que alcanzaba la cámara a estos amperajes sobrepasaba los 60 °C. Los resultados de precipitación se aprecian en la Tabla 1.

Tabla 1: Voltajes y amperajes en función del tiempo de descarga

El pH y temperatura de las muestras luego del tratamiento a 600 V, 20 Amp DC y 20 segundos se observan en la Tabla 2. Resultados similares obtuvieron Ojeda-Armaignac et al., (2012), quienes en el estudio comparativo del uso de electrodos de hierro y aluminio en el proceso de electrocoagulación de la vinaza determinaron que a medida que aumenta la densidad de corriente en el proceso de electrocoagulación de la vinaza, se obtiene mayor cantidad de sólidos en la espuma.

Como se evidencia en la Tabla 2, con ayuda del aumento en amperaje, el pH disminuye hasta por debajo del punto isoeléctrico de las proteínas del lactosuero de leche de cabra, por lo que el efecto de precipitado podría ser un resultado de la sinergia entre la corriente eléctrica y el punto isoeléctrico alcanzado. Resultados similares evidenciaron Arango y Garcés (2007) en su estudio de electrocoagulación de aguas residuales de una industria láctea. Estos autores encontraron eficiencias altas en la remoción de sólidos a densidades de corriente bajas usando bajo pH, lo cual se puede atribuir a que la misma precipitación de la proteína es impulsada por la llegada a su punto isoeléctrico junto con el campo eléctrico al que está sometida.

Tabla 2: Temperatura y pH de muestra de lactosuero luego de aplicación de CEPAI

Extracción de proteínas de lactosuero

Con la filtración y secado de las muestras tratadas con CEPAI se procedió a la separación de la fase sobrenadante de la precipitada utilizando papel filtro transmembrana, en las cuales se retuvieron las proteínas del lactosuero y se pesaron teniendo en cuenta el contenido de humedad. Posterior al secado se determinó el porcentaje de extracción en 100 mL de muestra. Los resultados se evidencian en la Tabla 3.

Tabla 3: Determinación de extracción de proteínas de lactosuero

Una vez pesadas las muestras en base seca se determinó el porcentaje de extracción tomando como base la resta de los pesos en base húmeda con respecto al peso de la base seca obteniendo el peso neto. Lo anterior representa el porcentaje de extracción en 100 mL de lactosuero. Cabe anotar que en la Tabla 3 las muestras 20/70 y 20/80 representan los mayores porcentajes de extracción, pero como se indicó anteriormente, estas muestras presentaron pardeamiento por las temperaturas alcanzadas en el tratamiento de CEPAI, por lo cual se descartaron. Teniendo en cuenta lo anterior, el tratamiento 20seg/60Amp mostró las mejores características de extracción.

La razón de que a mayores amperajes se den altos porcentajes de extracción de proteínas es debido a que el aumento de las fuerzas eléctricas del medio en donde estas se encuentran provoca una disminución en el grado de hidratación de sus grupos iónicos superficiales. Además, las proteínas al ser un soluto, compiten por el agua y rompen los puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteínicas se agregan y precipitan (Acevedo, 2010).

Para la obtención de las proteínas de lactosuero diversas técnicas y métodos (físicos y químicos) han sido empleados, tales como la ultrafiltración (Muñi et al., 2005; Marcelo y Rizvi, 2008). También ha sido factible el uso de ácidos como catalizador en la precipitación proteínica (Jakymec et al., 2001; Rojas-V et al., 2009) y el empleo de tratamientos térmicos (Jakymec et al., 2001; Uribarrí et al., 2004), siendo este último, el proceso más antiguo utilizado para la recuperación (Vázquez et al., 2010). Según Marriaga-Cabrales y Machuca-Martinez (2014) dentro de las ventajas que presenta la electrocoagulación con respecto a otros tratamientos de extracción de materiales sólidos como las proteínas de este estudio están que la electrocoagulación: i) produce sobrenadantes con menos sólidos disueltos totales (SDT) en comparación con los tratamientos químicos, así, si se vuelve a utilizar esta agua, el bajo nivel de SDT contribuye a un costo de recuperación de agua inferior; ii) los procesos electrolíticos en la celda de electrocoagulación se controlan eléctricamente sin partes móviles, por lo que requiere menos mantenimiento; iii) separación más rápida y eficaz que la coagulación convencional; iv) el control del pH no es necesario, a excepción de los valores extremos; y v) la cantidad de productos químicos necesarios es pequeña.

Pruebas microbiológicas

Referente a las pruebas microbiológicas observadas en la Tabla 4 se observó una disminución de las UFC/mL presentes en cada una de las muestras gracias a la aplicación de CEPAI, lo cual puede ser atribuido a la electroporación de las esporas de los microorganismos presentes (Fernández et al., 2010).

En la Tabla 4 también se indica el índice máximo permisible para identificar nivel de buena calidad en este producto según la Resolución 715 de 2009 (Ministerio de la Protección Social, 2009), la cual indica los requisitos sanitarios que deben cumplir los lactosueros como materia prima de alimentos para consumo humano. Según estos límites de referencia, se puede evidenciar que el lactosuero fresco no cumple con los límites permitidos de Aerobios mesófilos ni de Coliformes totales; sin embargo, los tratamientos realizados mediante CEPAI garantizan la inocuidad bajo las condiciones empleadas del producto final, a excepción del tratamiento de 20seg/20Amp, que no cumple con el máximo permisible de Coliformes totales en la menor dilución ensayada.

Tabla 4: Análisis microbiológico del lactosuero antes y después del tratamiento CEPAI

Determinación del contenido proteínico

Para demostrar la efectividad del método se realizó un análisis de determinación proteínica por el método Kjeldahl al lactosuero fresco, y luego se practicaron los respectivos análisis proteínicos a los sobrenadantes ya filtrados y se observó en los resultados una reducción considerable del contenido proteínico de las muestras (Ver Tabla 5), lo que permitió establecer que la extracción de proteínas del lactosuero utilizando altos pulsos eléctricos es un método eficaz. Hay que tener en cuenta que bajo las condiciones de pH y temperatura de extracción final podría existir un efecto sobre la actividad y funcionalidad de la proteína (Gómez et al., 2013).

Tabla 5: Contenido proteínico al residuo líquido remanente después de la filtración

CONCLUSIONES

La cámara recubierta en acero inoxidable no presentó ninguna contaminación electrolítica al momento de reaccionar con el lactosuero. De los resultados se pudo evidenciar que al momento de secar el precipitado se deben utilizar temperaturas cercanas a los 56 °C, ya que esta es la temperatura correspondiente a las mejores condiciones de extracción (20seg/60Amp), y además, las temperaturas mayores causan pardeamiento y degradación de las proteínas del lactosuero de leche de cabra. Se pudo observar que al aplicar los CEPAI se eliminaron coniformes fecales y totales, lo cual da a entender que los tratamientos realizados mediante esta tecnología garantizan la inocuidad bajo las condiciones empleadas del producto final. Se podría inferir que los efectos encontrados en esta tecnología son globales, y que por ende los resultados de esta investigación se pueden extrapolar a otro tipo de leches como la bovina. Se considera el CEPAI como un mecanismo efectivo para tratar un efluente de la industria láctea como lo es el lactosuero, además de un método eficaz de obtención de fracciones con potencial uso en la industria alimentaria como materia prima de alimentos para consumo.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen por los recursos financieros a la Universidad de Cartagena 2014 por su apoyo al fortalecimiento y sostenibilidad de los grupos de investigación clasificados por el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación - COLCIENCIAS - 2014. De igual forma agradece al misma Alma máter por la beca otorgada al Ing. Diego Felipe Tirado Armesto para realizar sus estudios de Maestría en Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería.

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Recibido Ene. 19, 2015; Aceptado Mar. 25, 2015; Versión final May. 23, 2015, Publicado Oct. 2015

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