CASEÍNA

La caseína es la principal proteína de la leche de vaca, y comprende aproximadamente el 80 % del contenido total de proteínas, de las cuales el resto,
alrededor del 20 %, son las proteínas del suero o de la leche.
La caseína es el componente básico del queso ordinario. En el proceso de elaboración del queso, la caseína se precipita por la acción de las enzimas del cuajo, y se forma un coágulo compuesto por caseína, proteínas del suero, grasa, lactosa y los minerales de la leche.
La caseína comercial se obtiene de la leche desnatada por uno de los dos métodos generales: precipitación por ácido o coagulación por cuajo. La mayor parte posible de la grasa, las proteínas del suero, la lactosa y los minerales deben eliminarse mediante el lavado en varias etapas en agua, ya que reducen la calidad de la caseína, así como su conservación. La caseína seca, producida adecuadamente, tiene una calidad de conservación relativamente buena y se utiliza principalmente en las industrias alimentaria y química.

Tipos de caseína

La caseína suele dividirse en los siguientes tipos:

Caseína de cuajo, obtenida por precipitación enzimática
Caseína ácida, obtenida por acidificación de la leche desnatada hasta el punto isoeléctrico (pH 4,6 – 4.7)

Además de estos dos tipos principales, existen otros productos de caseína comercialmente importantes, como:

Coprecipitado, que se obtiene calentando la leche desnatada a una temperatura elevada y precipitando después el complejo caseína/proteína de suero, normalmente con cloruro de calcio.

El coprecipitado también contiene proteínas de suero y calcio.

Caseinatos, comúnmente caseinato de sodio, obtenidos a partir de caseína ácida disuelta en hidróxido de sodio

Influencia de la materia prima

Para producir caseína de alta calidad, la materia prima, la leche desnatada, debe ser de buena calidad. Si las bacterias han tenido tiempo de actuar sobre la proteína de la leche como consecuencia de un cambio de acidez, esto afectará al color y a la consistencia de la caseína, que adquirirá un color grisáceo y una consistencia más suave. Un calentamiento excesivo de la leche antes de la precipitación no sólo provocará interacciones variadas entre los componentes de la lactosa, la caseína y la proteína del suero, sino que también dará a la caseína un color amarillo o, en el peor de los casos, marrón.
Para producir caseína de buena calidad bacteriológica, sin un tratamiento térmico elevado de la leche desnatada, la planta de pasteurización puede contener también una planta de microfiltración (MF). Para satisfacer las elevadas exigencias de calidad de la caseína destinada a la industria alimentaria, no sólo hay que planificar cuidadosamente la línea de producción desde la recepción de la leche, sino que también hay que controlar cuidadosamente el tratamiento y la manipulación de la materia prima antes de esta fase.

Caseína de cuajo

La leche desnatada, normalmente pasteurizada a 72 °C durante 15 – 20 segundos, se utiliza para la producción de caseína de cuajo, así como de otros tipos de caseína. Pequeñas cantidades de grasa son perjudiciales para la calidad. Por lo tanto, es importante que la leche se haya separado eficazmente.
La figura 20.1 muestra las distintas etapas de la producción de caseína de cuajo. La adición de cuajo tiene lugar con la ayuda de la enzima quimosina del cuajo. La leche se calienta durante un breve periodo de tiempo y luego se enfría a unos 30 °C. A continuación se añade el cuajo. Al cabo de 15-20 minutos se forma un gel. Se corta y se agita el coágulo mientras se calienta a unos 60 °C. La alta temperatura es necesaria para desactivar la enzima. El tiempo de cocción es de unos 30 minutos.

Lavado por lotes

El suero se escurre cuando se ha alcanzado la temperatura final, y la caseína restante, mientras está en la cuba, se lava con agua para eliminar las proteínas del suero, la lactosa y la sal. El lavado se realiza en dos o tres etapas a una temperatura entre 45 y 60 °C.
Después de escurrir el agua, la caseína se deshidrata aún más en tamices o separadores. A continuación, se seca con aire caliente hasta que el contenido de agua es
12%, y finalmente se muele hasta obtener un polvo. La temperatura de secado depende del método utilizado. En un proceso de secado en dos etapas, la temperatura es de 50 – 55 °C en la primera etapa y de unos 65 °C en la segunda.
La caseína de cuajo debe ser blanca o ligeramente amarilla. Un color más oscuro es un signo de calidad inferior y puede deberse a un contenido demasiado alto de lactosa.

Lavado continuo

La caseína de cuajo se producía originalmente por lotes en tanques especiales de caseína, pero hoy en día también se utilizan procesos continuos. En una planta continua, el drenaje del suero tiene lugar antes de que la caseína pase por dos o tres tanques de lavado con agitadores. El deshidratado se realiza normalmente en una centrifugadora decantadora para reducir el consumo de agua de lavado. La caseína se deshidrata entre las etapas de lavado, ya sea en coladores estáticos inclinados o en decantadores. Después de salir de las etapas de lavado, la mezcla de agua y caseína pasa por otro decantador para descargar la mayor cantidad de agua posible antes del secado final.
En la producción a gran escala, la coagulación de la caseína se sigue haciendo por lotes, con un número calculado de cubas de caseína vaciadas en secuencia para alimentar la planta continua de desaguado y lavado.
El lavado se realiza en contracorriente, que utiliza el agua de forma más económica que el lavado concurrente. Este último sistema utiliza un litro de agua por litro de leche desnatada, mientras que en el lavado a contracorriente sólo se necesitan entre 0,3 y 0,4 litros de agua por litro de leche desnatada. El número de etapas de lavado depende de los requisitos del producto. Dos etapas es el mínimo. Sólo se suministra agua fresca en la última etapa. Tras el lavado, la caseína se deshidrata en un decantador hasta alcanzar un contenido de MS del 45 – 40 %. Tras el secado, por ejemplo en un secador de vibración, la caseína se muele hasta alcanzar un tamaño de partícula correspondiente a 40, 60 u 80 mallas y se envasa en sacos. (Malla = número de líneas de cribado por pulgada; 40 mallas corresponde, por tanto, a 0,64 mm.)

Caseína ácida

La leche se acidifica hasta el punto isoeléctrico de la caseína, que se cree que es el pH 4,6, pero se desplaza por la presencia de sales neutras en la solución y puede estar en cualquier lugar dentro de un rango que se extiende de pH 4,0 a pH 4,8. El punto isoeléctrico es la etapa en la que la concentración de iones de hidronio neutraliza las micelas de caseína cargadas negativamente, dando lugar a la precipitación (coagulación) del complejo de caseína. Esta acidificación puede llevarse a cabo biológicamente o mediante la adición de un ácido mineral, por ejemplo, ácido clorhídrico (HCl) o ácido sulfúrico (H2SO4).

Acidificación biológica – caseína de ácido láctico

La caseína de ácido láctico se produce por acidulación microbiológica. La leche se pasteuriza y se enfría a 27 – 23 °C. A continuación se añade un iniciador mesófilo no productor de gas. La acidulación hasta alcanzar el pH requerido tarda unas 15 horas. Si el proceso de acidulación es demasiado rápido, puede dar lugar a problemas como una calidad desigual y un menor rendimiento de caseína. Se suelen utilizar tanques grandes, ya que el vaciado del tanque puede llevar tanto tiempo que el grado de acidez puede variar.
Cuando se ha alcanzado la acidez requerida, la leche se remueve y se calienta a 50 – 55 °C en un intercambiador de placas. Tras una breve retención, el tratamiento continuado -lavado y secado- es prácticamente el mismo que para la caseína de cuajo.

Acidificación mineral – caseína ácida

La leche se calienta hasta la temperatura requerida, aproximadamente 32 °C. A continuación se añade ácido mineral para llevar el pH de la leche a 4,3 – 4,6. Tras la comprobación del pH, la leche se calienta a 40 – 45 °C en un intercambiador de calor de placas y se mantiene durante unos dos minutos, cuando se forman agregados lisos de caseína. Para eliminar la mayor cantidad posible de suero antes de iniciar el lavado, la mezcla de suero y caseína se pasa por un decantador. De este modo, se necesita menos agua para el lavado.
La figura 20.2 muestra un diagrama de flujo de una línea de proceso para la fabricación de caseína ácida. Como puede observarse, la planta que sigue a la acidificación es casi idéntica a la utilizada para la producción de caseína de cuajo.
Antes de salir de la planta, el suero y el agua de lavado pueden separarse y los lodos de caseína se recogen en un tanque. Al mezclarse con una solución de lejía, la caseína se disuelve y se vuelve a mezclar con la leche desnatada destinada a la producción de caseína.
Después de la deshidratación, la caseína ácida se muele y se envasa en sacos.
También debe mencionarse la técnica para la producción de caseína ácida desarrollada por Pillet, Francia.
Después de un precalentamiento a 32 °C, la leche desnatada se acidifica y se introduce en una unidad de coagulación (figura 20.3). La coagulación se completa tras el calentamiento a unos 45 °C mediante la inyección directa de vapor. A la desecación en un decantador le sigue el lavado en contracorriente en una o dos torres de lavado especialmente diseñadas (figura 20.4).
Antes de ser secada en una unidad vibrofluidizada, la caseína se deshidrata en un decantador.

El coprecipitado

El coprecipitado contiene prácticamente todas las fracciones proteicas de la leche.
Tras la adición de pequeñas cantidades de cloruro de calcio o de ácido a la leche desnatada, la mezcla se calienta a 85 – 95 °C y se mantiene a esa temperatura durante un período de 1 – 20 minutos para permitir la interacción entre las caseínas y las proteínas del suero. La precipitación de las proteínas de la leche calentada se efectúa entonces mediante la adición controlada de una solución de cloruro de calcio (para producir coprecipitado con alto contenido de calcio) o de ácido diluido (para producir coprecipitado con medio o bajo contenido de calcio, dependiendo de la cantidad de ácido añadida y del pH del suero resultante). La cuajada se lava posteriormente y se seca para producir coprecipitados granulares e insolubles o se disuelve en álcali como se describe para los métodos de fabricación de caseinatos para producir coprecipitados solubles o «dispersables».

Caseinato

El caseinato puede definirse como un compuesto químico de caseína y metales ligeros, por ejemplo, sodio monovalente (Na+) o calcio divalente (Ca++).
Los caseinatos pueden producirse a partir de cuajada de caseína ácida recién precipitada («húmeda») o a partir de caseína ácida seca por reacción con cualquiera de varias soluciones diluidas de álcali, como se indica en la figura 20.5.

Caseinato de sodio

El álcali más utilizado en la producción de caseinato de sodio es la solución de hidróxido de sodio (NaOH), con una fuerza de 2,5 M o 10 %. La cantidad de NaOH requerida es generalmente del 1,7 al 2,2 % en peso de los sólidos de caseína para alcanzar un pH final, generalmente de alrededor de 6,7.
Se pueden utilizar otros álcalis, como el bicarbonato de sodio o los fosfatos de sodio, pero tanto las cantidades requeridas como su coste son mayores que los del NaOH. Por lo tanto, se utilizan generalmente sólo para fines específicos, como en la fabricación de caseinatos citados.
La muy alta viscosidad de las soluciones de caseinato de sodio de concentración moderada limita su contenido de sólidos para el secado por pulverización a aproximadamente el 20 %.
Con respecto a los procedimientos de procesamiento, debe mencionarse que el tiempo de disolución está directamente relacionado con el tamaño de las partículas y que la reducción del tamaño de las partículas antes de la adición del hidróxido de sodio, en lugar de después, produce una reacción más rápida. En consecuencia, la cuajada se pasa por un molino coloidal antes de la adición del álcali.
Después del lavado final de la caseína, la cuajada puede deshidratarse hasta un 45% de sólidos aproximadamente y volver a mezclarse con agua (hasta un 25 – 30% de sólidos) antes de entrar en el molino coloidal. La temperatura de la lechada emergente debe ser inferior a 45 °C, ya que se ha observado que la cuajada molida puede reaglomerarse a temperaturas más altas. Generalmente, la papilla se recoge en un tanque encamisado provisto de un agitador eficaz e integrado también en un sistema de circulación con una bomba de gran capacidad.
La adición de álcali diluido debe controlarse cuidadosamente con el objetivo de alcanzar un pH final de aproximadamente 6,7. Preferiblemente, el álcali se dosifica en la línea de recirculación justo antes de la bomba.
Una vez que se ha añadido el álcali a la pasta, es importante elevar la temperatura lo más rápidamente posible hasta 60 – 75 °C, para reducir la viscosidad.
El tiempo de disolución para el caseinato de sodio preparado en lotes suele ser de 30 – 60 min.
Para una atomización eficaz, la solución de caseinato de sodio debe tener una viscosidad constante cuando se alimenta al secador de pulverización. Es una práctica común minimizar la viscosidad precalentando la solución a 90 – 95 °C justo antes del secado por pulverización.

Caseinato de calcio

La preparación del caseinato de calcio sigue las mismas líneas generales que la del caseinato de sodio, con un par de excepciones importantes. Las soluciones de caseinato de calcio son susceptibles de desestabilizarse por calentamiento, especialmente a valores de pH inferiores a 6.
Se ha comprobado que durante el proceso de disolución, la reacción entre la cuajada de caseína ácida y el hidróxido de calcio procede a un ritmo mucho más lento que entre la cuajada y el hidróxido de sodio. Para aumentar la velocidad de reacción entre la caseína y el hidróxido de calcio, la caseína puede disolverse primero completamente en amoníaco. A continuación, se añade hidróxido de calcio en solución de sacarosa, y la solución de caseinato de calcio se seca sobre rodillos. La mayor parte del amoníaco se evapora durante este proceso.

Otros caseinatos

El caseinato de magnesio se ha mencionado brevemente en la bibliografía.
Se han preparado compuestos de caseína con aluminio para uso médico o para su utilización como emulsionante en productos cárnicos.
Los derivados de metales pesados de la caseína que se han utilizado principalmente con fines terapéuticos incluyen los que contienen plata, mercurio, hierro y bismuto. También se han preparado caseinatos de hierro y cobre por intercambio iónico para su uso en productos infantiles y dietéticos.

Caseinato de sodio extruido

Es posible producir caseinato de sodio a partir de caseína en presencia de una cantidad limitada de agua utilizando técnicas de extrusión.
Algunas empresas europeas que se dedican a la cocción por extrusión -Werner &Pfleiderer GmbH (Alemania), Clextral (Francia) y algunas otras- informan de buenos resultados en la producción de caseinato de sodio por cocción por extrusión.
La mayor parte de la información publicada da como material de partida la caseína seca. Se añade agua y álcali para formar una mezcla para la extrusión. La mezcla de caseína y agua puede tener un contenido de humedad de
10 – 30%.
Es probable que la técnica de extrusión utilizada en la producción de caseinatos sea altamente competitiva con la técnica tradicional por lotes.
Además, el procesamiento por extrusión también se ha probado en la producción de caseína ácida a partir de leche desnatada en polvo. J Fichtali y F R van der Vort han realizado pruebas en una planta piloto del MacDonald College de la Universidad McGill, en Quebec, Canadá. Resumieron los resultados de sus ensayos (1990) de la siguiente manera:
«Nuestro trabajo inicial sobre la producción de una cuajada ácida a partir de SMP (leche desnatada en polvo) mediante el procesamiento por extrusión indicó que había que dedicar un esfuerzo mucho mayor al desarrollo del proceso para obtener un producto de calidad. Estados Unidos, Canadá y la Comunidad Económica Europea han experimentado en ocasiones un exceso crónico de oferta de leche, de la que se convierten cantidades sustanciales en leche desnatada en polvo. Modificando las condiciones del proceso de extrusión, estudiando la coagulación de altos sólidos y optimizando las etapas de coagulación y lavado, se puede producir por extrusión caseína ácida de una calidad aceptable. Este proceso es continuo, controlable, utiliza SMP de alto contenido en sólidos y puede reducir las necesidades de mano de obra y espacio en relación con los procesos convencionales. Este material puede servir de alimento para su posterior conversión por extrusión en caseinato de sodio, que se analizará en un artículo posterior»

Usos de las caseínas y los caseinatos

La caseína de cuajo

La caseína de cuajo es un producto diferente de la caseína ácida. En la industria, se utiliza principalmente en la producción de sustancias artificiales en la categoría de plásticos. La caseína polimerizada con formalina se conoce como galalith, y las fibras sintéticas de caseína se conocen como lanital. A pesar de la gran oferta de diversos plásticos que compiten directamente con el galalith, sigue habiendo cierta demanda de caseína para la producción de galalith. También se utilizan pequeñas cantidades de caseína de cuajo como materia prima para el queso fundido. La caseína de cuajo es insoluble en agua.