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Una forma de extender la vida útil de la leche es calentarla a temperaturas lo suficientemente altas como para destruir casi todos los microorganismos, y luego almacenarla en contenedores sellados sin contaminación por bacterias. Hay dos maneras en que esto se puede llevar a cabo: esterilización en el recipiente y procesamiento a temperatura ultra alta (UHT). Ambos producen un producto "comercialmente estéril", lo que significa que la leche no contiene microorganismos que puedan crecer en las condiciones normales de almacenamiento que, en este caso, es la temperatura ambiente.

La esterilización en contenedor, que utiliza tecnología de enlatado, es una operación por lotes que implica calentar los envases finales de leche en un autoclave a 110-120 ° C durante 10-20 minutos. Por el contrario, el procesamiento UHT implica calentar la leche en un sistema de flujo continuo a aproximadamente 140 ° C durante un tiempo muy corto, alrededor de cinco segundos.

Si bien los dos procedimientos tienen el mismo efecto microbiológico, tienen efectos químicos muy diferentes en los componentes de la leche. La leche esterilizada en el recipiente típicamente tiene un marcado sabor cocido y un ligero color parduzco. Por otro lado, la leche UHT tiene mucho menos sabor cocido y muy poca, si acaso alguna, decoloración marrón. La diferencia en la calidad del producto entre los dos tipos de leche esterilizada fue un importante impulsor para el desarrollo del procesamiento UHT para producir un producto estable al almacenamiento. Sin embargo, el principal impulsor para su comercialización y adopción generalizada fue el desarrollo de un envasado aséptico mediante el cual la leche esterilizada se empaqueta en envases estériles y se sella herméticamente. 

Aspectos microbiológicos

El principal objetivo microbiológico del procesamiento UHT es desactivar las bacterias formadoras de esporas que podrían crecer durante el almacenamiento y causar su deterioro. Los objetivos principales son las especies de Bacillus, particularmente resistentes al calor como B. licheniformis y B. subtilus. Geobacillus stearothermophilus es un formador de esporas extremadamente resistente al calor que se encuentra en la leche, pero debido a que solo crece a temperaturas superiores a 50 ° C, no causa problemas en la leche UHT a menos que se abuse excesivamente de la leche durante el almacenamiento. En tiempos comparativamente 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 ambiente.

Las condiciones térmicas utilizadas para el procesamiento UHT están diseñadas para proporcionar una reducción de 9 logaritmos en esporas formadoras de esporas resistentes al calor. Esto es equivalente a un índice bacteriológico (B *) de 1. Un proceso UHT debe tener un B * de al menos 1. En la práctica, la mayoría de las plantas UHT exceden este requerimiento por un margen razonable. Muchas combinaciones diferentes de temperatura y tiempo que van desde 130 ° C durante ~ 30 segundos a 160 ° C durante menos de 0,05 segundos podrían lograr este objetivo, pero en realidad los tiempos de espera muy largos y muy cortos no son comercialmente prácticos. Las temperaturas UHT más comunes utilizadas comercialmente oscilan entre 137 y 145 ° C6.

El proceso UHT

Los principales pasos en un proceso UHT son los siguientes:

• Precalentamiento, con o sin un tiempo de retención
• Homogeneización (para sistemas indirectos)
• Calefacción a la temperatura de esterilización
• Manteniendo a la temperatura de esterilización
• Enfriamiento inicial
• Homogeneización (posición alternativa para sistemas directos o indirectos)
• Enfriamiento final
• Embalaje aséptico

La etapa de precalentamiento toma la temperatura de ~ 5 ° C a ~ 90 ° C, utilizando la post-esterilización de leche caliente como fuente de calor en intercambiadores de calor tubulares o de placas. Este paso de regeneración de calor es muy importante para la eficiencia energética de la planta UHT. Más del 90 por ciento del calor puede regenerarse, aunque esta cifra varía según el tipo de planta. En algunas plantas, la leche se mantiene durante un 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 incrustaciones o formación de depósitos , en intercambiadores de calor subsiguientes, aunque, como se señala a continuación, también puede tener un efecto importante en la calidad del producto final mediante la inactivación de una enzima de leche natural.

El paso de calentamiento final a la temperatura de esterilización requerida se logra 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 vapor culinario sobrecalentado, 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 un tubo o una placa. Los sistemas directos pueden ser un tipo de inyección en el que se inyecta vapor en la leche, o un tipo de infusión en el que la leche se infunde en una cámara de vapor sobrecalentado. La principal diferencia entre los sistemas directos e indirectos es la velocidad a la que se calienta la leche. Los sistemas directos calientan la leche desde la temperatura de precalentamiento hasta la temperatura de esterilización en menos de un segundo, mientras que los sistemas indirectos pueden tardar de varios segundos a minutos.

Cuando se alcanza la temperatura de esterilización, la leche entra en un tubo de retención. La temperatura de la leche y el tiempo que toma pasar a través de este tubo de retención son las condiciones nominales que generalmente se citan para un proceso UHT, por ejemplo, 140 ° C durante cinco segundos. Si bien esta es una convención conveniente, no proporciona una imagen real del proceso de calentamiento al que está sometido el producto. Muchos cambios químicos y microbiológicos ocurren en la etapa de calentamiento inmediatamente anterior y en la etapa de enfriamiento inmediatamente después de la etapa de esterilización y, por lo tanto, estas secciones de la planta deben tenerse en cuenta además del tubo de retención de esterilización cuando se considera el alcance de estos cambios.

El enfriamiento inicial del producto en sistemas directos se logra muy rápidamente a medida que pasa a través de una cámara de vacío que elimina el agua condensada en el producto durante el calentamiento con vapor y al hacerlo devuelve la temperatura del producto a una temperatura cercana a la temperatura fue calentado, generalmente alrededor de 75 ° C. En el paso de enfriamiento final en sistemas directos, y en ambos pasos de enfriamiento en sistemas indirectos, el calor de la leche caliente se transfiere a la leche fría en las etapas de precalentamiento / regeneración de calor.

Cuando la grasa está presente en el producto, como en la leche entera, se incluye un paso de homogeneización. Esto se lleva a cabo a 60-70 ° C, antes o después de la etapa de esterilización. Si el homogeneizador está aguas abajo de la etapa de esterilización, debe ser aséptico ya que no se pueden introducir bacterias después de la esterilización. Esto claramente demanda mucho a los operadores de la planta para asegurar que el homogeneizador sea aséptico y por esta razón, cuando sea posible, la homogeneización se lleva a cabo antes de la esterilización. Sin embargo, se ha encontrado que la leche procesada mediante un proceso de calentamiento directo debe homogeneizarse aguas abajo para descomponer los agregados de proteína que se forman durante el calentamiento y producen un sabor astringente en la leche.

El paso de envasado aséptico es crucial. El producto debe transferirse después del enfriamiento al paquete final y el paquete debe sellarse sin introducir ni siquiera una célula bacteriana. En la mayoría de las plantas comerciales, el producto se mantiene en un tanque aséptico antes de enviarlo al envasador aséptico. Varios tipos de envases están disponibles, pero los más comunes son el cartón y el plástico multicapa. Los paquetes se esterilizan antes de llenarse, generalmente 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 calentar un producto como la leche a temperaturas de hasta ~ 140 ° C tenga algún efecto sobre sus componentes, además de los efectos bactericidas deseados. Además, el almacenamiento a temperatura ambiente durante largos períodos de tiempo (hasta 12 meses) causa efectos adicionales.

Para los consumidores acostumbrados a beber leche pasteurizada que difiere poco en sabor de la leche cruda, la leche UHT a menudo parece tener un sabor cocido o calentado. La tecnología moderna UHT minimiza la producción de este sabor, pero la mayoría de los consumidores aún puede detectarlo y es una de las razones por la que muchos consumidores prefieren la leche pasteurizada. El sabor típico de la leche UHT se debe a una combinación de sabores, el principal de los cuales son los sabores sulfurosos causados ​​por compuestos de azufre volátiles liberados de la proteína de suero de leche y las proteínas en la membrana que rodea al glóbulo de grasa de leche. Otros contribuyentes son los compuestos de carbonilo alifáticos 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 sulfurosos debido al sulfuro de hidrógeno y otros compuestos de azufre volátiles como el metano tiol. Estos compuestos se reducen notablemente en la primera semana, presumiblemente por oxidación.

El paso inicial en la reacción de Maillard es la reacción entre lactosa y lisina en las proteínas de la leche, principalmente proteínas de suero de leche. De hecho, el alcance de esta reacción es una indicación de la intensidad del calor administrado a la leche. En la práctica, se mide como furosina, un producto formado cuando la proteína que contiene lactosa se somete a hidrólisis ácida. Otro indicador del tratamiento térmico es lactulosa, un isómero de lactosa.

Las proteínas de suero de leche, particularmente β-lactoglobulina que forma aproximadamente 50% de estas proteínas solubles en leche, se desnaturalizan por calentamiento a aproximadamente 70ºC de modo que en la leche UHT, un gran porcentaje de las proteínas del suero están desnaturalizadas y existen en gran medida como complejos con caseínas.

La inestabilidad de las proteínas del suero para calentar tiene otra consecuencia durante el procesamiento UHT. Algunas proteínas de suero de leche se desnaturalizan y se adhieren a las superficies de los intercambiadores de calor en depósitos proteináceos que obstruyen el flujo de leche y pueden eventualmente causar que la planta se cierre para su limpieza. Sin embargo, este no es el único tipo de depósito formado durante el procesamiento UHT. A altas temperaturas, por encima de aproximadamente 110 ° C, el fosfato de calcio también se precipita en las paredes, lo que se suma a la "contaminación" causada por las proteínas del suero de leche.

Sorprendentemente, el proceso UHT tiene solo un efecto mínimo sobre el valor nutritivo de la leche. Hay una pequeña disminución en las vitaminas solubles en agua, pero prácticamente no hay cambio en las vitaminas solubles en grasas. Las proteínas, de hecho, han demostrado ser más digeribles en la leche UHT como resultado del tratamiento térmico. El tratamiento con UHT también puede reducir la alergenicidad de las proteínas de la leche.

Los cambios químicos causados ​​por una planta en particular se pueden resumir en un índice químico, C *. AC * de 1 es equivalente a la destrucción del tres por ciento de la vitamina B, la tiamina. Las plantas UHT se deben usar en condiciones que den una C * de menos de 1 para evitar un daño químico excesivo. Los sistemas UHT de calentamiento directo tienen valores 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 de temperatura-tiempo utilizada convencionalmente del tubo de retención de esterilización.

La mayoría de los cambios anteriores que ocurren durante el procesamiento a alta temperatura de la leche se han estudiado en profundidad y se ha desarrollado su cinética de reacción. Esto permite que los cambios que ocurren en una planta UHT particular sean matemáticamente estimados. La información básica sobre una planta que permite que esto se haga 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 UHT comerciales, un sistema indirecto y un sistema directo, respectivamente. Por lo tanto, cuando se conocen las cinéticas para un cambio particular, por ejemplo, la desnaturalización de β-lactoglobulina, y el perfil de temperatura-tiempo de una planta de UHT, se puede predecir el efecto de esa planta en una gama de componentes de la leche. Afortunadamente, los cálculos para hacer esto pueden ser realizados por una computadora y el software para este propósito está disponible comercialmente, por ejemplo, NIZO Premia ¹³ . Los valores B * y C * mencionados anteriormente también se pueden calcular a medida que se definen mediante fórmulas matemáticas. Desafortunadamente, no es fácil obtener el perfil de temperatura-tiempo para la mayoría de las plantas, ya que una descripción completa de la planta en términos de temperaturas y tiempos en todas las secciones no está disponible. Sin embargo, donde están disponibles, se puede obtener una gran cantidad de información sobre la planta en general y el producto producido. Una aplicación de esta simulación por computadora es comparar los efectos de plantas piloto de pequeña escala con plantas comerciales de tamaño completo para permitir que las plantas piloto se configuren para que coincidan con los equipos UHT comerciales de tamaño completo.

Cambios en la leche UHT durante el almacenamiento

Mantener la leche en buenas condiciones a temperatura ambiente durante hasta 12 meses es un desafío importante debido a la gran cantidad de cambios que pueden tener lugar. El sabor cambia a través del progreso de la reacción de Maillard y a través de la oxidación por oxígeno disuelto en la leche. Los principales compuestos de sabor producidos son metilcetonas y aldehídos alifáticos, pero se genera una gran cantidad de compuestos aromáticos. Otros sabores 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. Estos incluyen lipasas, que descomponen la grasa y forman ácidos grasos libres, algunos de los cuales tienen sabores fuertes, y proteasas que descomponen las proteínas para producir péptidos, algunos de los cuales son amargos.

Otro cambio que puede ser provocado por las proteasas es lo que se conoce como "gelificación de la edad", en el que la leche se espesa durante el almacenamiento y finalmente se transforma en un gel similar a un yogur. Este defecto indeseable puede ser causado por las enzimas bacterianas resistentes al calor, pero también puede ser causado por la plasmina, una proteasa natural en la leche, que es bastante estable al calor y puede permanecer activa en la leche UHT. Recientemente, se ha encontrado que se inactiva por algunas condiciones de precalentamiento de UHT, que es una excelente razón para incluir un tiempo de mantenimiento en la sección de precalentamiento de las plantas UHT.

Procesamiento UHT de productos que no sean leche blanca

El procesamiento UHT ahora se usa ampliamente para producir productos de 'larga vida' como crema, natillas y leches saborizadas. Sin embargo, no es adecuado para hacer queso, ya que la cuajada de la leche UHT tarda mucho tiempo en fraguar y retiene una gran cantidad de humedad, dando un queso muy suave e inaceptable. La leche UHT tampoco es muy adecuada para la fabricación de yogur ya que forma un gel muy suave ; sin embargo, puede ser más adecuado para producir un yogur bebible (de larga duración) donde no se requiere un gel firme.