Desarrollo y escalado del proceso de producción de un queso de pasta blanda light funcional debido a la incorporación de fitoesteroles y fortificado con alfa-tocoferol como aditivo antioxidante

Tesis presentada para optar por el título de Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el Área de Química Industrial, en abril del 2021.

Las enfermedades crónicas no transmisibles constituyen un problema de salud pública. En la actualidad, se estima que alrededor del 40 % de la población adulta mundial presenta elevados niveles de colesterol en sangre, con un total de 4.4 millones de muertes anuales. El objetivo principal del presente trabajo fue obtener un producto comercial a escala industrial orientado a satisfacer las demandas de los consumidores en lo que compete a la prevención de enfermedades asociadas al colesterol. Esta tesis implicó, específicamente, el desarrollo y escalado del proceso de producción de un queso de pasta blanda descremado o light funcional debido a la incorporación de fitoesteroles. Además, resultaría finalmente fortificado con alfa-tocoferol, el cual debió ser agregado con el primordial objetivo de actuar como preservador antioxidante. Este tipo de quesos es novedoso en Argentina y hay muy pocos desarrollos a nivel mundial. La tesis se llevó a cabo en el marco del proyecto FONARSEC FITS 2010 - “Desarrollo de alimentos lácteos funcionales 0004”, de vinculación entre el grupo del “Laboratorio de Vitaminas, Antioxidantes y Compuestos Funcionales” del Instituto de Tecnología de Alimentos (ITA) del INTA-Castelar (Morón, provincia de Buenos Aires) como sector científico-tecnológico y la empresa PyME “CDS-Lácteos Capilla del Señor S.A.” (Villa María, provincia de Córdoba). Para planificar y plantear el desarrollo del producto funcional se utilizó el modelo Technology Readiness Level (TRL), el cual permite evaluar la madurez alcanzada por una tecnología particular y la comparación consistente entre los niveles de madurez alcanzados por diferentes tipos de tecnología. Seguidamente, se realizó una encuesta de consumidores donde se determinó sensorialmente cuál queso descremado de aquellos producidos regularmente por la empresa (“mozzarella" light o Por Salut light) preferían, en base a cuyos resultados se seleccionó el tipo de queso descremado o light a utilizar como base para el agregado de los fitoesteroles, de tal manera de asegurar su consumo saludable. El mismo fue el queso Por Salut light. A continuación, se investigó la forma por la cual incorporar a la tina quesera cada tipo de fitoesteroles provistos por el mercado, libres, emulsionados y esterificados. Se evaluaron procedimientos posibles para su incorporación en forma homogénea a la matriz del queso resultante, en principio realizando este ensayo a escala laboratorio (tina quesera de 1 litro). En simultáneo se analizaron distintos vehículos (leche y crema) para la dispersión de cada tipo de fitoesteroles ensayados (libres, emulsionados y esterificados), determinando la homogeneidad de la incorporación final en la matriz del queso. Esto es fundamental ya que la porción mínima diaria de un alimento funcional debe asegurar la provisión precisa de la dosis de compuesto activo que ejerce su efecto en marcadores bioquímicos específicos del organismo. Luego se repitió el mismo ensayo en leche y en crema como vehículos a escala piloto (180 litros), pero ya del tipo de fitoesteroles seleccionado por su desempeño a escala laboratorio, esto es, los esterificados. Se calculó el balance de masa correspondiente, introduciendo en él las variables que podían afectarlo y que resultaba de interés controlar en función de las características y composición del queso final obtenido. Se determinó químicamente la recuperación de los fitoesteroles esterificados finalmente usados, de los tocoferoles y de los parámetros lactológicos de los quesos. Una vez que se definieron las condiciones óptimas de elaboración a escala piloto, se pasó a la escala industrial (2500 litros) en la planta de la empresa CDS-Lácteos Capilla del Señor S.A. Se calculó el balance de masa correspondiente a esta escala mayor. Los ensayos realizados mostraron que, por un lado, los fitoesteroles tuvieron una recuperación mayor al 90% en el producto industrial y, por el otro, que los fitoesteroles se mantuvieron estables a lo largo de la vida útil del queso. El desafío tecnológico consistió en la adición de una cantidad de fitoesteroles suficiente para ejercer el efecto hipocolesterolémico con una ingesta diaria para ello establecida por el organismo oficial europeo en dos gramos. En consecuencia, el queso debía contener al menos 3,5 g de fitoesteroles esterificados cada 100 g de queso, homogéneamente distribuidos en cada dos porciones de 30 g cada una del queso, generándose así un exceso de lípidos susceptibles de sufrir oxidación, ya que los ésteres aportan una alta concentración de ácidos grasos poliinsaturados. Debido a ello, el agregado de alfa-tocoferol resultó ser una estrategia de doble propósito. Por un lado, se determinó que protegió al producto de la oxidación durante su madurado (21 días) y vida útil extendida que llegó hasta los 90 días posteriores a la elaboración y, en simultáneo, sirvió como fuente de vitamina E. Los fitoesteroles esterificados se incorporaron exitosamente en el queso, sin que se evidenciara un defecto visual en el color o la estructura del mismo, determinándose además en forma analítica la distribución homogénea de los mismos en las distintas porciones (30 g cada una) de la horma. Los estudios de microscopia láser confocal permitieron evidenciar una dispersión homogénea de la fase lipídica en la matriz continua proteica del queso. Los estudios microbiológicos demostraron que los quesos fueron aptos para su consumo hasta el fin de la vida útil determinada a nivel comercial (60 días) y la vida útil extendida (90 días). Mediante análisis de componentes principales se determinó que los quesos funcionales fueron diferentes a los quesos control, asociándose la población funcional a la presencia de antioxidantes naturales (alfa y beta tocoferoles), a las mayores concentraciones de ácidos grasos insaturados, de omega-6 y, en particular, al contenido (aumentado) del ácido graso esencial linolénico, influyendo el tiempo de maduración en las características del queso. El producto obtenido está a la venta en la actualidad a través de los canales e-commerce de la empresa y en distintos comercios, estando a la vez registrado bajo el número otorgado por la autoridad sanitaria de la provincia de Córdoba, Registro Nacional de Productos Alimenticios (RNPA) nº 04064284 y protegido por una patente (INPI Nº 20150101287) que involucra no solamente al producto, sino también la metodología para lograrlo.

Noncommunicable diseases (NCDs) constitute a public health problem. Currently, around 40% of the world’s adult population presents elevated blood cholesterol levels, which produce annually 4.4 million of deaths. The main objective of the present work was to obtain on an industrial scale a commercial product that satisfies the demands of consumers regarding the prevention of diseases associated with abnormal cholesterol levels. This thesis involved, specifically, the development and scaling up of the production process of a low-fat or light functional soft cheese due to the incorporation of phytosterols. In addition, it would be finally fortified with alpha-tocopherol, which had to be added with the primary objective of acting as an antioxidant preservative. This type of cheese is a novelty in Argentina and there are very few developments worldwide. This thesis was carried out with a FONARSEC project (FITS 2010 - “Desarrollo de alimentos lácteos funcionales 0004”) by which an association between the scientific-technological group of the “Laboratorio de Vitaminas, Antioxidantes y Compuestos Funcionales” (Instituto de Tecnología de Alimentos, ITA, INTA-Castelar, Morón, provincia de Buenos Aires)” and the SME company "CDS-Lácteos Capilla del Señor SA " (Villa María, province of Córdoba) was developed. The Technology Readiness Level (TRL) model was used to organize the development of the functional product. It allows evaluating the maturity achieved by a particular technology and the consistent comparison between the maturity levels achieved by different types of technology. Afterwards, a consumer survey was conducted to determine sensorily which skim cheese regularly produced by this company (“mozzarella" light or Por Salut light) they preferred. Based on the results obtained, the Por Salut light cheese was selected for adding phytosterols. Possible procedures for the incorporation of phytosterols in a homogeneous way into the matrix of the resulting cheese were evaluated, initially carrying out this test on a laboratory scale (1 liter cheese tub). Simultaneously, different vehicles (milk and cream) were analyzed for the dispersion of each type of phytosterol sources tested (free phytosterols, emulsified phytosterols and esterified phytosterols), determining the homogeneity of the final incorporation within the cheese matrix. This is essential since the minimum daily portion of a functional food must ensure the precise doses of the active compound that exerts its effect on specific biochemical (clinical) markers. Emulsified phytoesterols were finally selected as the source of the bioactive for the development of the functional Port Salut light cheese. The same study was then repeated in milk and cream vehicles at the pilot scale (180 liters), but already with the type of phytosterols selected after the performance shown at laboratory scale, that is, the esterified phytosterols. The corresponding mass balance was calculated, introducing in it the variables that could affect it and that were of interest to control, based on the characteristics and composition of the final cheese to be obtained. The recovery of the finally used esterified phytosterols, of the tocopherols and of the lactological parameters of the cheeses was determined. Once the optimal production conditions were defined on the pilot scale, the industrial plant scale-up was performed (2500 liters) at the CDS-Lácteos Capilla del Señor S.A. company (Villa María, Córdoba). The mass balance corresponding to this larger scale was then calculated. The assays carried out showed that, on the one hand, the phytosterols showed a recovery greater than 90% in the industrial product and, on the other, that the phytosterols remained stable throughout the shelf-life of the cheese. The technological challenge consisted in the addition of a sufficient amount of phytosterols to exert the hipocholestrolemic effect, which involves a daily intake of 2 g as established by the official European authorities. Consequently, the cheese had to contain at least 3.5 g of esterified phytosterols per 100 g of cheese, homogeneously distributed for every 30 g of cheese (two portions = 60 g). Thus, an excess of lipids susceptible to oxidation was generated since the esters provide a high concentration of polyunsaturated fatty acids. Therefore, the addition of alpha-tocopherol had a dual-purpose strategy. On the one hand, it was determined that alpha-tocopherol protected the funtional cheese product from oxidation during its maturation (21 days) and extended shelf-life up to 90 days post-processing and, on the other, it served for providing vitamin E. The esterified phytosterols were successfully incorporated into the cheese without showing a visual defect in its color and appearance, and their homogeneous distribution was also determined analytically in different portions (60 g each). The confocal laser microscopy studies showed a homogeneous dispersion of the lipid phase in the protein network of the cheese. The microbiological studies showed that the cheeses were suitable for consumption until the end of the shelf-life determined at commercial level (60 days) and untill the end of the extended shelf life (90 days). Through principal component analysis, it was determined that functional cheeses were different from control cheeses (without phytosterols), associating the functional population with the presence of natural antioxidants (alpha and beta-tocopherols) with the highest concentrations of unsaturated fatty acids, with the omega-6 and, in particular, with the increased content of the essential fatty acid linolenic acid. Also, ripening time influenced on the characteristics of the functional cheese. The product obtained is currently sold by the company’s e-commerce channel, as well as through different shops. The commercial registration number of the product was also obtained from the health authority of the province of Córdoba (National Product Registry Food, RNPA, Nº 04064284), and protected by a patent (INPI Nº 20150101287) that comprises not only the product, but also the methodology used for its production.

Instituto de Investigación de Tecnología de Alimentos

Fil: Rizzo, Sergio Anibal. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Investigación Tecnología de Alimentos; Argentina.

Fil: Rizzo, Sergio Anibal. Instituto de Ciencia y Tecnología de Sistemas Alimentarios Sustentables (UEDD INTA CONICET); Argentina.