Micellar casein concentrates and isolates: changes induced by stabilization and preservation methods

Abstract

El uso de concentrados proteínas lácteas como ingredientes alimentarios va en aumento debido a su alto valor nutricional y funcional. Una buena estrategia para la obtención de estos concentrados es la filtración por membranas, ya que permite separar y concentrar componentes concretos de la leche, pero manteniendo su estructura nativa. Este es el caso de los concentrados (MCC) o aislados de caseína micelar (MCI), los cuales han sido parcialmente separados de las proteínas del suero, lactosa y minerales solubles y finalmente secados por pulverización. Sin embargo, estos concentrados proteicos en polvo deben dispersarse y disolverse para desempeñar su función como ingredientes alimentarios, lo cual presenta un problema debido a su difícil reconstitución. Como alternativa, su manejo en forma líquida supondría una importante ventaja competitiva, pero se debe tener en cuenta que su manipulación en forma líquida los hace altamente vulnerables al deterioro microbiológico y a otros tipos de alteraciones. Por todo ello, en esta Tesis Doctoral se ha explorado el comportamiento y estabilidad de estos concentrados líquidos tratados por altas presiones; así como, su combinación con una barrera adicional antibacteriana como es la nisina. También se ha recurrido a esta tecnología no térmica para tratar mezclas de bases lácteas para la elaboración de yogures con alto contenido en proteína. Además, en las instalaciones de FrieslandCampina Innovation Centre (Wageningen, Países Bajos), se ha profundizado en el estudio del efecto de las sales secuestrantes, concretamente el hexametafosfato de sodio (SHMP) y citrato trisódico (TSC), sobre soluciones de MCI, así como en el efecto que tiene el SHMP sobre estas soluciones cuando son tratadas térmicamente y su estabilidad en el tiempo. En cuanto a los hallazgos más relevantes, indicar que el tratamiento de los concentrados de caseína micelar líquidos (LMCC) a 600 MPa durante 5 minutos ha conseguido garantizar la calidad microbiana, sin embargo, a esas altas presiones se producen procesos de fraccionamiento y reagrupación en las estructuras micelares que repercuten en la textura final. No obstante, se ha visto que la adición de nisina a los LMCC permite reducir la presión aplicada a 450 MPa alcanzado los niveles de reducción microbiana obtenidos a 600 MPa, pero sin afectar las propiedades fisicoquímicas de los concentrados. Respecto a los yogures elaborados con LMCC tratados tanto térmicamente como por altas presiones, se ha comprobado que ambos han presentado gran capacidad de retención de agua y firmeza, pero se han observado diferencias entre los dos tratamientos en cuanto a la viscosidad del yogur (batido), resaltando la potencialidad del tratamiento no térmico. Como aspectos relevantes de las investigaciones con MCI, se ha comprobado que ambas sales secuestrantes (TSC y SHMP) inducen la disrupción de la micela de caseína, pero su modo de acción es distinto. Así pues, se ha hipotetizado que TSC forma complejos solubles de Ca-Citrato solubilizando el fosfato inorgánico de la micela, mientras que SHMP actúa como agente peptizante induciendo a la disrupción del fosfato cálcico micelar, pero no solubilizándolo. Además, cuando el SHMP es añadido a una solución de MCI y calentado a distintas combinaciones de temperatura y tiempo, simulando las condiciones industriales, se produce una hidrólisis del SHMP que provoca un descenso acusado del pH y de la viscosidad. No obstante, estas soluciones con SHMP han mostrado muy buena estabilidad durante su almacenamiento, demostrando su capacidad como agente estabilizante.

The use of milk protein concentrates as ingredients is increasing due to their excellent functional and nutritional value. A good strategy for obtaining these concentrates is the use of membrane filtration as it allows to separate and concentrate specific compounds of milk maintaining their native structure. This is the case of micellar casein concentrates (MCC) or isolates (MCI), which have been partially separated from whey proteins, lactose and soluble minerals and finally spray-dried. However, these powder protein concentrates have to be dispersed and dissolved before their use to perform their function as food ingredients, which presents a problem due to their difficult reconstitution. Alternatively, their use in liquid form would provide an important completive advantage, nevertheless, their handling in liquid form makes them highly vulnerable to microbiological spoilage and other alterations. This dissertation, therefore, set out to explore the behaviour and stability of these liquid concentrates treated by high-pressure processing as well as their combination with an antibacterial such as nisin. This non-thermal technology has also been used to treat dairy bases for high-protein content yogurt manufacture. In addition, during the predoctoral stay carried out in FrieslandCampina Innovation Centre (Wageningen, The Netherlands), it has been studied in depth the effect of sequestering salts: sodium hexametaphosphate (SHMP) and trisodium citrate (TSC) on MCI solutions, as well as the heat-induced changes of SHMP on MCI and their stability over time. Concerning the most relevant findings, the treatment of liquid micellar casein concentrates (LMCC) at 600 MPa for 5 minutes managed to guarantee microbial quality; however, at these high pressures, fractionation and regrouping processes occurred in the micellar structures that affected the final texture. It was also found that the addition of nisin to LMCC allowed reducing the pressure applied to 450 MPa reaching a similar microbial reduction level that the one obtained at 600 MPa but without affecting the physicochemical properties of the concentrates. Concerning the yogurts made with LMCC treated both thermally and by high pressure, it was found that both showed high water retention capacity and firmness, and the differences were observed between the two treatments in terms of yogurt viscosity (stirred), highlighting the potential of the non-thermal treatment. As the most relevant findings of the research carried out with MCI, it has been demonstrated that both sequestering salts induced the micelle disruption but their mechanism differed. Thus, it has been hypothesized that TSC forms soluble Ca-Citrate complexes by solubilizing the inorganic phosphate in the micelle, while SHMP acts as a peptizing agent inducing the disruption of micellar calcium phosphate, but not solubilizing it. Furthermore, when SHMP was added to an MCI solution and heated at different combinations of temperature and time, simulating industrial conditions, hydrolysis of SHMP occurred resulting in a marked decrease in pH and viscosity. However, these solutions with SHMP showed very good stability during storage, demonstrating its ability as a stabilizing agent.