Desempenho do leite de cabra submetido aos processos de nanofiltração e crioconcentração em blocos com descongelamento gravitacional e a vácuo

Abstract

O aumento da produção de leite de cabra está associado à incorporação de novas tecnologias ao seu processamento, como a crioconcentração e a nanofiltração. A parir destas tecnologias é possível obter concentrados do leite com alta qualidade nutricional, sem alterações químicas e bioquímicas indesejáveis. Desta forma, este trabalho de tese de doutorado avaliou duas técnicas de concentração de leite de cabra, a crioconcentração em blocos e a nanofiltração. O leite de cabra desnatado foi concentrado primeiramente pela técnica de crioconcentração em blocos até o terceiro estágio de processo e as frações de concentrado e gelo obtidas foram avaliadas em relação as suas propriedades físicas, químicas e reológicas e perfil mineral. Ao submeter o leite de cabra desnatado ao processo de nanofiltração foram avaliados o desempenho do processo pelo declínio do fluxo de permeado, resistência à incrustação e, composição e propriedades reológicas do retentado. Posteriorment, foi avaliado o desempenho do processo de concentração de congelamento em blocos assistido a vácuo no leite de cabra semidesnatado, utilizando a metodologia de superfície de resposta para otimizar os parâmetros de tempo de congelamento (1, 7 e 14 dias), condições de vácuo (10 kPa, 40 kPa e 70 kPa) e tempo sob vácuo (20 min, 40 min e 60 min) em relação à resposta de rendimento do concentrado e após, a influência do NaCl no processo. Na primeira etapa deste estudo, em geral, com o aumento dos estágios de crioconcentração em blocos, a densidade, o teor total de sólidos, o teor total de proteínas, caseína e proteína de soro de leite aumentaram nas frações de concentrado e gelo. Além disso, em todas as etapas, foi possível notar que o conteúdo de lactose mostrou um equilíbrio entre as duas frações. Ao avaliar as propriedades de cor, foi observado que os concentrados apresentaram índice de brancura semelhante ao leite integral e tendência à coloração esverdeada e amarelada. Modelos de Power Law e Herschel-Buckley ajustaram-se para descrever o comportamento do fluxo de todas as frações de concentrado e gelo. Como esperado, observou-se um aumento no teor de minerais avaliado com o aumento dos estágios de concentração de congelamento do leite de cabra desnatado. Entretanto, as maiores eficiências (P <0,05) do processo foram observadas no primeiro e segundo estágio. Assim, os concentrados dos estágios 1 e 2 demonstraram ser um produto promissor a ser utilizado pelas indústrias de laticínios. Quando o leite de cabra desnatado foi submetido ao processo de nanofiltração até um fator de redução de volume (VRF) igual a 2, verificou-se uma rápida diminuição do fluxo de permeado em um curto período de tempo, apresentando fluxo contínuo, causado pela resistência reversível, que é caracterizado pelo bloqueio padrão e completo. O modelo combinado de incrustação forneceu uma descrição realista do comportamento da nanofiltração no leite de cabra desnatado. Além disso, o retentado apresentou maiores valores de sólidos totais, proteínas, lactose, cinzas, fração mineral, bem como, uma maior luminosidade e tendência à cor esverdeada e amarelada em relação ao leite de cabra inicial e ao permeado. Os modelos de Power Law e Herschel-Buckley foram adequados para descrever o comportamento do fluxo do retentado, o qual apresentou a maior viscosidade aparente. Finalmente, os parâmetros ótimos do processo de crioconcentração em blocos assistido por vácuo de leite de cabra semidesnatado foram de um tempo de congelamento de 1 dia, condições de vácuo iguais a 10 kPa e tempo de vácuo de 60 min. Quando verificada a influência do NaCl utilizando diferentes teores de sal (0,5, 1, 1,5 e 2%), o concentrado com adição de 1,5 e 2% de NaCl apresentou os maiores valores para os teores totais de sólidos e proteínas e parâmetros de processo mais satisfatório. Desta forma, o melhor desempenho foi observado quando se utilizou adição de NaCl a 1,5 e 2% no leite de cabra submetido ao processo de concentração de congelamento assistido a vácuo. Por fim, vale ressaltar o potencial inovador que este trabalho representa através do estudo de dois diferentes tipos de processo de concentração, a fim de obter leites de cabra concentrados que possam ser utilizados pelas indústrias alimentícias.

Abstract: The increase in the production of goat milk is associated with the incorporation of new technologies to its processing, such as freeze concentration and nanofiltration. From these technologies it is possible to obtain milk concentrates with high nutritional quality, without being observed undesirable chemical and biochemical changes. In this case, this thesis work evaluated two techniques for the concentration of goat's milk, block freeze concentration and nanofiltration. The skimmed goat milk was concentrated first by the block freeze concentration technique until the third stage of the process and the concentrate and ice fractions obtained were evaluated in relation to their physical, chemical and rheological properties and mineral profile. When submitting skimmed goat milk to the nanofiltration process, the performance of the process was evaluated by the decline in permeate flow, resistance to fouling, and composition and rheological properties of the retentate. Subsequently, the performance of the vacuum assisted block freezing concentration process in semi-skimmed goat milk was evaluated, using the response surface methodology to optimize the freezing time parameters (1, 7 and 14 days), vacuum conditions (10 kPa, 40 kPa and 70 kPa) and time under vacuum (20 min, 40 min and 60 min) in relation to the yield response of the concentrate and afterwards, the influence of addition of NaCl in the process. In the first stage of this study, in general, with the increase of freeze concentration stages, the density, the total content of solids, the total content of proteins, casein and whey protein increased in the concentrate and ice fractions. In addition, at all stages, it was possible to notice that the lactose content showed a balance between the two fractions. When evaluating the color properties, it was observed that the concentrates showed a whiteness index similar to whole milk and a tendency to greenish and yellowish color. Power Law and Herschel-Buckley models adjusted to describe the flow behavior of all concentrate and ice fractions. As expected, an increase in the mineral content was observed with the increase in the freezing concentration stages of skimmed goat milk. However, the highest efficiency (P <0.05) of the process were observed in the first and second stage. Thus, the concentrates from stages 1 and 2 proved to be a promising product to be used by the dairy industries. When skimmed goat milk was submitted to the nanofiltration process up to a volume reduction factor (VRF) of 2, there was a rapid decrease in the permeate flow in a short period of time, showing continuous flow, caused by resistance reversible, which was characterized by standard and complete blocking. The combined scale model provided a realistic description of the nanofiltration behavior in skimmed goat milk. In addition, the retentate showed higher values of total solids, proteins, lactose, ash, mineral fraction, as well as, a greater luminosity and tendency to greenish and yellowish color in relation to the initial goat milk and permeate. The Power Law and Herschel-Buckley models were adequate to describe the behavior of the retentate flow, which presented the highest apparent viscosity. Finally, the optimum parameters of the vacuum-assisted block freeze concentration process applied to semi-skimmed goat milk were a freezing time of 1 day, vacuum conditions equal to 10 kPa and a vacuum time of 60 min. When evaluated the influence of NaCl using different concentrations of salt (0.5, 1, 1.5 and 2%), the concentrate with the addition of 1.5 and 2% NaCl showed the highest values for total solids and proteins and more satisfactory process parameters. Thus, the best performance was observed when the addition of 1.5 and 2% NaCl was used in goat milk submitted to the vacuum assisted freezing concentration process. It is worth highlighting the innovative potential that this work represents through the study of two different types of concentration process, in order to obtain concentrated goat milk that can be used by the food industries.