Monitoreo del ácido láctico y el pH en la fermentación del yogur

Por qué importa el punto final de la fermentación

En la fabricación de yogur, la leche tratada térmicamente se inocula con Streptococcus thermophilus y Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, que actúan de forma sinérgica para convertir la lactosa en ácido láctico y bajar el pH de la leche; la formación de la cuajada del yogur se basa en la precipitación isoeléctrica de la caseína a medida que desciende el pH [1]. La Norma del Codex para Leches Fermentadas define el yogur por este cultivo simbiótico y fija una acidez titulable mínima del 0,6 % (m/m), expresada como ácido láctico [2]. Para las empresas lácteas, decidir cuándo detener la acidificación es, por tanto, una cuestión tanto de textura como de composición.

La fermentación se detiene mediante enfriamiento. Una revisión sobre la elaboración del yogur describe el enfriamiento hasta unos 5 °C una vez que el pH alcanza aproximadamente 4,7–4,3, lo que inhibe el cultivo iniciador e impide un aumento adicional de la acidez; el enfriamiento rápido en una fase por debajo de 10 °C da una viscosidad menor que el enfriamiento en dos fases, que además limita la sinéresis [1]. Las condiciones anteriores también influyen: Lee y Lucey observaron que la permeabilidad, el tamaño de poro y la separación de suero de los geles de yogur aumentaban con una menor tasa de inoculación y una mayor temperatura de incubación (aproximadamente 46 °C frente a 40 °C) [3], y su revisión posterior relaciona la textura del yogur con los sólidos totales, el tratamiento térmico y la temperatura de incubación [4].

Mediciones de referencia: pH y acidez titulable

Dos magnitudes de referencia describen la acidificación. El pH es el valor de proceso en el que se inicia el enfriamiento [1] y, en la producción industrial de yogur, suele ser la única medición aplicada en línea como señal de monitorización en tiempo real [6]. La acidez titulable es el criterio de composición: el límite del Codex se expresa como porcentaje de ácido láctico [2], e ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 especifica un método potenciométrico para determinar la acidez titulable del yogur natural, aromatizado, con frutas y líquido, el queso fresco, el suero de mantequilla y otros productos lácteos fermentados [5]. Sin embargo, la acidez titulable es una valoración de laboratorio sobre una muestra extraída de la cuba.

Svendsen et al. señalan que los productores se beneficiarían de una técnica en línea que informara de algo más que el pH, como la composición, la textura o la contaminación [6].

Qué indican los estudios de infrarrojo cercano en línea

Cimander et al. combinaron una nariz electrónica, un espectrómetro de infrarrojo cercano (NIR) y sondas estándar de biorreactor en fermentaciones de yogur de laboratorio; una red neuronal predijo la lactosa, la galactosa y el lactato, así como estados del proceso como el inicio de la coagulación o el momento de cosecha, con una exactitud comparable a la del ensayo de referencia fuera de línea [7]. Grassi et al. compararon espectros NIR por transformada de Fourier (FT-NIR), analizados mediante análisis de componentes principales, con la reología, el pH, la acidez titulable y las concentraciones de azúcares y ácido láctico, y concluyeron que la FT-NIR era útil para evaluar en tiempo real el desarrollo de la cuajada [8]. En un estudio posterior de 18 fermentaciones con tres cultivos iniciadores a 37, 41 y 45 °C, la resolución multivariante de curvas (MCR-ALS) de espectros FT-NIR en línea resolvió tres perfiles correspondientes a las fases de coagulación, y los perfiles de concentración dependieron del cultivo iniciador y de la temperatura, en concordancia con los resultados de pH y reológicos [9].

Svendsen et al. monitorizaron fermentaciones de tipo yogur con NIR en línea y observaron que el cambio de viscosidad afecta fuertemente a la dispersión de la luz; la señal NIR refleja tanto la dispersión, relacionada con la textura, como la absorción, relacionada con la formación de biomasa y la conversión del azúcar en ácido láctico [6]. Muncan et al. registraron espectros NIR (830–2500 nm) cada 15 minutos durante 8 horas de fermentación, con el pH cada 30 minutos, y relacionaron los cambios de línea base y de pendiente observados con la acidificación con la estructura del agua, los cambios en las proteínas y la coagulación [10]. Aktas et al. ajustaron la ecuación de Gompertz a datos FT-NIR en línea para localizar puntos críticos cinéticos de la fermentación del yogur, que se produjeron en promedio alrededor de un 18 % antes que los obtenidos por reología [11].

La mayoría de estos estudios siguen el curso de la fermentación — inicio de la coagulación, fases y puntos críticos — en fermentaciones de laboratorio o piloto [8][9][10][11]. Un modelo cuantitativo específico de la planta para el pH o la acidez titulable sigue teniendo que calibrarse y validarse con la leche, los cultivos y las recetas propios de la planta.

Infrarrojo medio y Raman

Sivakesava et al. compararon la espectroscopía FT-MIR, NIR y FT-Raman para la medición at-line de biomasa, glucosa y ácido láctico en muestras de caldo completo de una fermentación de Lactobacillus casei; los modelos FT-MIR fueron los de mejor rendimiento, mientras que los errores de predicción de NIR y FT-Raman fueron elevados [12]. Se trataba de un caldo de bioproceso, no de un gel lácteo en coagulación, por lo que la clasificación no se traslada directamente al yogur. Para este artículo no se identificó ningún estudio revisado por pares de Raman en línea sobre la fermentación del yogur.

Puntos prácticos para una señal de acidificación

• Ánclese en los métodos de referencia. Contraste cualquier modelo espectroscópico con el pH y la acidez titulable según ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 [5], ya que el límite de composición del yogur se define en función de la acidez titulable [2].
• Separe la textura de la química. Dado que la gelificación modifica la dispersión de la luz [6] y la cinética de la fermentación depende del cultivo iniciador y de la temperatura [9], el conjunto de calibración debe abarcar los cultivos, las recetas y las temperaturas de incubación utilizados en producción.
• Siga la guía NIR para productos lácteos. ISO 21543 | IDF 201 ofrece directrices para aplicar la espectrometría NIR a los productos lácteos, incluidas la calibración y la validación [13].

El enfoque de USTECH

Para la medición en línea, el analizador FT-NIR de procesos ProLine2550 está especificado para líquidos y suspensiones, y el ProLine17EC es un analizador NIR inline robusto con protección IP65, cuerpo de acero inoxidable 316 y ventana de zafiro. El software caliX proporciona las herramientas de PCA y PLS utilizadas en los estudios anteriores [8][12], y ProChem conecta las salidas del analizador con sistemas PLC/SCADA con paneles y alarmas. Si una señal NIR puede respaldar la decisión del punto final para un producto concreto se establece en un estudio de viabilidad con sus propias muestras, no se supone a partir de resultados publicados.