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Universidade Federal de Viçosa - UFV
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Instituto de Laticínios Cândido Tostes/EPAMIG

    +Soro - pesquisa brasileira aplicada ao aproveitamento de soro lácteo

    Prof. Dr. Ítalo Tuler Perrone (1)

    Prof. Dr. Antônio Fernandes de Carvalho (1)

    Dr. Pierre Schuck (2)

    Prof. Dr. Rodrigo Stephani (3)

    Prof. Dr. Luiz Fernando Cappa de Oliveira (3)


    (1) INOVALEITE - Universidade Federal de Viçosa (2) Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)

    (3) NEEM - Universidade Federal de Juiz de Fora



    Introdução:

    O soro pode ser estudado sobre diferentes aspectos pela comunidade científica. Neste resumo são apresentadas as principais pesquisas realizadas pelo INOVALEITE, do Departamento de Tecnologia de Alimentos da UFV no período entre 2015 e julho de 2017. Visando potencializar os recursos públicos e privados investidos em pesquisa os trabalhos foram realizados por meio de parcerias entre a UFV e as seguintes instituições: Departamentos de Química, Medicina e Física da UFJF, Institut National de la Recherche Agronomique UMR STLO Agrocampus Ouest, e o Instituto de Laticínios Cândido Tostes. As principais linhas de pesquisa podem ser divididas em três temas centrais: Processamento industrial, Métodos analíticos e Produtos com valor agregado. Os assuntos abordados em cada tema foram:

    • Processamento industrial: desenvolvimento de software para controle das condições de operação de spray dryers (DryCalc)[1,5,10], efeito do tipo de tanque de cristalização na cinética de formação dos cristais de lactose em soro concentrado [7], tecnologias para produção de soro em pó [9,11,15] e a produção de doce de leite adicionado de soro [14].

    • Métodos analíticos: emprego da espectroscopia Raman para monitoramento das modificações físico químicas de concentrados proteicos do soro durante o armazenamento [2], aplicação da eletroforese capilar na determinação da fraude de leite por adição de soro [8], aplicação do analisador rápido de viscosidade para avaliar o efeito sinérgico de proteínas lácteas submetidas ao tratamento térmico [12,13,16].

    • Produtos com valor agregado: suplementação de pacientes [3,4] e fórmulas infantis [5,6].


    Desenvolvimento do tema:

    O processamento industrial é diretamente afetado pelas propriedades físico-químicas e tecnológicas do soro. Desta forma, é determinante o conhecimento das interações entre produto e processo, visando o desenvolvimento de produtos, a produção em escala, o armazenamento dos produtos acabados e a redução das perdas de processo. Dentre os processamentos do soro destacam-se os processos de separação por membranas e a secagem em spray dryer, que permitem a produção do soro em pó e dos concentrados proteicos do soro, assim como a produção de lactose e de sais do leite em pó.  A evolução dos produtos lácteos desidratados é apresentada por meio da classificação dos produtos por gerações. A Figura 1 sintetiza esta classificação.


    Figura 1 – Classificação dos produtos lácteos desidratados por gerações, segundo Shuck et al. [5].


         O grau de sofisticação tecnológica e de valor agregado cresce de acordo com a geração, desta forma, produtos de primeira geração empregam menor grau de tecnologia durante o seu processamento e menor valor agregado na venda. O Brasil possui demanda de mercado para os produtos das quatro gerações, enquanto que o parque industrial busca atualmente consolidar-se na produção de produtos de segunda geração e terceira geração.

         O conhecimento sobre a secagem de soro mudou significativamente nos últimos 20 anos. As indústrias começaram a utilizar em maior escala conhecimentos técnicos e científicos para a produção do soro em pó. Os principais problemas em soro em pó são: a adesão e o empedramento durante a fabricação e estocagem levando a diminuição do rendimento industrial. Estes problemas baseiam-se no controle do estado vítreo durante o processo de secagem e estocagem. Devido à importância da transição vítrea, os parâmetros de operação do spray dryer devem ser ajustados para melhorar o soro em pó. Visando a melhoria do processo de secagem de soro recomenda-se que as indústrias: apliquem termohigrômetros para determinar as propriedades do ar, estabeçam a relação entre a atividade de água e a umidade relativa do ar de saída e ajustem os parâmetros de secagem baseados nas propriedades do ar e do soro. Um resultado concreto das pesquisas realizadas na área de soro no Brasil com aplicação direta na indústria foi o estabelecimento do aplicativo DryCalc. Este aplicativo auxilia o controle do processo de secagem, principalmente no tocante aos balanços de massa e de energia. A Figura 2 apresenta a tela do aplicativo DryCalc.


    ​Figura 2 – Aplicativo DryCalc desenvolvido para auxiliar o controle industrial do processo de secagem.


    A manutenção das propriedades do soro em pó durante a produção e o armazenamento depende da eficiência do processo de cristalização da lactose no soro concentrado. Neste sentido, realizou-se no Brasil pesquisa [7] com o objetivo de avaliar o efeito do tipo de cristalizador na eficiência da cristalização da lactose em soro de leite concentrado. Estudaram-se equipamentos que dispunham de diferentes formas de agitação (tanque 1 - agitador central e tanque 2 - agitador periférico), mantendo as demais condições de cristalização constantes, como: taxa de resfriamento; temperatura; velocidade de agitação; tempo de cristalização; e teor se sólidos solúveis por tratamento. A maior taxa de cristalização no soro concentrado foi obtida pelo emprego da agitação central [Tempo (min) = 0,1927·(%cristalização da lactose) + 21,681] e [Tempo (min) = -0,06 · (ºBrix) + 51,233]. Sob a taxa de resfriamento de -0,34 ºC ± 0,05 ºC por minuto durante a primeira hora e alcançando a temperatura de 25,8º± 1,2 ºC após 4 horas, a agitação central promoveu as maiores taxas de cristalização em soro concentrado com 50, 55 e 60 ºBrix.  Observou-se que mudanças nas condições de cristalização do soro concentrado (em diferentes tanques) e no teor de sólidos solúveis implicam na obtenção de pós com diferentes propriedades de reidratação, de adesão e com teores distintos de lactose cristalizada, impactando na conservação durante o prazo de validade.

    Saindo das pesquisas de processamento e entrando nas pesquisas sobre métodos analíticos destacam-se pesquisas sobre emprego da espectroscopia Raman para monitoramento das modificações físico químicas de concentrados proteicos do soro durante o armazenamento [2]. Podemos citar uma situação prática de aplicação da espectroscopia, quando existe o interesse em identificar as características de moléculas específicas, como por exemplo a lactose, dentro de um ambiente químico que pode ser modificado com o tempo de armazenamento, por exemplo, o soro em pó e concentrado proteico de soro (WPC). A mudança da estrutura da lactose é a principal modificação física dos lácteos desidratados e precursora de outras mudanças durante o período de armazenamento do produto. A lactose é o componente do extrato seco total mais abundante do soro. Após a remoção da água, a lactose encontra-se no estado vítreo, que dependendo das condições composição do produto e das vizinhanças que o cercam é altamente higroscópica, absorvendo facilmente a água do ambiente. O aumento da umidade relativa, da temperatura e escalas de tempo relevantes são os fatores predominantes envolvidos na cristalização da lactose, afetando diretamente as propriedades funcionais dos produtos secos que contêm esse dissacarídeo. A cristalização ocorre acima da temperatura de transição vítrea (Tg), definida como a temperatura em que ocorre a transição de um estado sólido vítreo para um estado semi-líquido (gomoso). Abaixo da Tg, um material amorfo apresenta alta viscosidade e limitada mobilidade molecular; na temperatura de transição vítrea e acima dela, a viscosidade diminui drasticamente e o resultado é um aumento significativo na mobilidade molecular dos componentes do sistema, levando a uma série de transformações estruturais como aderência, colapso e cristalização durante o período de processamento e armazenamento do material. Nas últimas décadas, os métodos espectroscópicos, juntamente com as ferramentas quimiométricas, têm sido aplicados para avaliar a qualidade de produtos lácteos como uma alternativa para os procedimentos tradicionais. A Figura 3 mostra o espectro Raman do WPC produzido em condições ideias (A), WPC produzido em condições ideais e armazenado durante 6 semanas em condição ambiente (B) e α-lactose monohidratada (C).


    FIGURA 3 – Espectros Raman do WPC produzido em condições ideias (A), WPC produzido em condições ideais e armazenado durante 6 semanas em condição ambiente (B); α-lactose monohidratada (C).

         As modificações que ocorrem nos espectros Raman das amostras armazenadas em condição ambiente são provocadas, principalmente, pelo aumento na quantidade de água no pó. Quando o WPC é exposto à umidade relativa alta, o pó absorve água e há um aumento da concentração desta no alimento. Como consequência, ocorre uma diminuição da viscosidade e aumento da mobilidade molecular. Esses dois fatores determinam uma série de modificações estruturais dependentes do tempo, tais como: gomosidade, colapso e cristalização dos componentes amorfos, que diminuem a vida útil do WPC e, por consequência, a sua qualidade. Isso indica que a espectroscopia Raman é uma ferramenta emergente para o monitoramento da qualidade de WPC durante o período de armazenamento, considerando a sua sensibilidade para identificar mudanças na estrutura da molécula de lactose devido à transição vítrea, que pode ter como fator de promoção, embalagens danificadas, avançada data de fabricação ou exposição excessiva a altas temperaturas durante a logística.

         Quanto às pesquisas relativas à utilização do soro para obtenção de produtos com valor agregado destacam-se os trabalhos com alimentação infantil e alimentações especiais. Trabalhos científicos realizados [3,4] enfatizam a importância de moléculas presentes no soro devido ao seu potencial de aplicação. Os pacientes em regime de condicionamento para o transplante de células tronco hematopoéticas apresentam elevada incidência das formas mais graves da mucosite oral. O concentrado de proteínas do soro é composto por uma série de fatores de crescimento celular, dentre eles os fatores de crescimento transformador beta que compreende uma família de peptídeos do leite e contribuem para o reparo tecidual. A partir da hipótese de que a suplementação alimentar com concentrado de proteínas do soro teria o potencial de reduzir a mucosite oral, desenvolveu-se um estudo prospectivo com pacientes submetidos ao transplante de células tronco hematopoéticas autólogo e alogênico no Hospital Universitário da Universidade Federal de Juiz de Fora e no Hospital Monte Sinai, com diferentes protocolos de condicionamento. Os pacientes foram suplementados com uma dose diária de concentrado de proteínas do soro contendo 50% das necessidades diárias de proteína conforme Dietary Reference Intakes e classificados, posteriormente, quanto à quantidade de suplemento ingerida até mediana de início da mucosite oral. Os critérios do National Cancer Institute, versão 4.0, foram utilizados para a classificação dos eventos adversos ocorridos e para avaliação da mucosite oral, a partir da escala de toxicidade oral da Organização Mundial da Saúde. Um total de 73 pacientes submetidos ao transplante de células tronco hematopoéticas foram avaliados. Destes 43 faziam parte do controle histórico e 30 foram suplementados com concentrado de proteínas do soro. A mucosite oral teve duração média de 5,3 dias (DP: 4,5), variando entre o dia da infusão de células tronco até o 17º dia após infusão e mediana no 5º dia após infusão. O tempo de mucosite oral foi influenciado pelo protocolo de condicionamento (p < 0,01) e concentrado de proteínas do soro (p = 0,01). Os pacientes que consumiram o concentrado de proteínas do soro em quantidade igual ou superior a 40% das necessidades diárias de proteína apresentaram um período de duração da mucosite oral 35% menor (p = 0,007) e uma redução de 11 vezes na incidência de mucosite oral em graus 3 e 4 (p = 0,004). O estado nutricional e as reações adversas como diarreia, náuseas e vômitos, disfagia, xerostomia e sialorreia não apresentaram diferenças estatisticamente significativas. Desta forma a ingestão de concentrado de proteínas do soro maior ou igual que 80% das dosagens do período (40% da necessidade diária de proteína), contribuiu para a redução da severidade e do tempo de duração da mucosite oral.


    Conclusão:

         Os trabalhos apresentados neste resumo foram realizados em parcerias por Instituições pertencentes à Agência de Inovação Polo do Leite, desta forma contribuindo para o desenvolvimento tecnológico, econômico e social do setor lácteo nacional. A articulação de competências técnicas com o objetivo de promover inovações e novos negócios no Sistema Agroindustrial do Leite foi determinante para que pesquisas fossem realizadas sobre o soro do leite. A difusão das pesquisas realizadas e a apropriação dos resultados pelas indústrias de laticínios serão fundamentais para a promoção do desenvolvimento local, regional e nacional, inclusivo e sustentável.


    Referências Bibliográficas:

    [1] SILVA, R.; MARTINS, E.; SILVEIRA, A. C. P. ;SIMEAO, M. ;MENDES, A. L. ;PERRONE, I. T.; SCHUCK, P.; CARVALHO, A. F. Thermodynamic characterization of single stage spray dryers: mass and energy balances for milk drying. Drying Technology, 2017.

    [2] STEPHANI, Rodrigo; OLIVEIRA, KAMILA DE SÁ; DE ALMEIDA, CARLOS EDUARDO ROCHA; PERRONE, ÍTALO TULER; DE CARVALHO, ANTÔNIO FERNANDES; DE OLIVEIRA, LUIZ FERNANDO CAPPA; ALMEIDA, MARIANA RAMOS . Raman spectroscopy as a tool to identify modification of whey protein concentrate (WPC) during shelf life. Food Packaging and Shelf Life, v. 11, p. 1-9, 2017.

    [3] PERRONE, ANA CAROLINA AMARAL DE SÃO JOSÉ; BARBOSA, THAÍS RODRIGUES; SILVA, FERNANDA LOPES DA; PERRONE, ÍTALO TULER; CARVALHO, ANTÔNIO FERNANDES DE; STEPHANI, Rodrigo; SANTOS, KELLI BORGES DOS; ATALLA, ÂNGELO; HALLACK NETO, ABRAHÃO ELIAS . Supplementation with concentrated milk protein in patients undergoing Hematopoietic Stem Cell Transplantation. Nutrition (Burbank, Los Angeles County, Calif.), v. 37, p. 1-6, 2017.

    [4] FERNANDA LOPES DA SILVA; ANTÔNIO FERNANDES DE CARVALHO; MOISÉS SIMEÃO; CLEUBER RAIMUNDO DA SILVA; GUILHERME MENDES DA SILVA; PIERRE SCHUCK; ITALO TULER PERRONE TGF beta2 concentration in dairy products: the effect of processing on its concentration. European Food Research and Technology, DOI 10.1007/s00217-017-2897-z, 2017.

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    [7] PERRONE, I. T.; SIMEAO, M.; SCHUCK, P.; CARVALHO, A. F. Lactose crystallization in concentrated whey: the influence of vat type. 2016. (Conferência no Congresso Internacional de Secagem da Federação Internacional de Laticínios - IDF).

    [8] DE OLIVEIRA MENDES, THIAGO; PORTO, BRENDA LEE SIMAS; BELL, MARIA JOSÉ VALENZUELA; PERRONE, ÍTALO TULER; DE OLIVEIRA, MARCONE AUGUSTO LEAL. Capillary zone electrophoresis for fatty acids with chemometrics for the determination of milk adulteration by whey addition. Food Chemistry, v. 213, p. 647-653, 2016.

    [9] PERRONE, I. T.; SILVEIRA, A. C. P.; MARTINS, E. ; CARVALHO, A. F.; SCHUCK, P. Soro em pó: stado vítreo e condições de operação do spray dryer. Revista do Instituto de Laticínios Cândido Tostes, 2016.

    [10] PERRONE, I. T.; SCHUCK, PIERRE; MARTINS, E.; SILVA, . R.; PEREIRA, J. P. F.; RODRIGUES, R. C.; STEPHANI, Rodrigo; CARVALHO, A. F. Uso de ferramentas matemáticas em processos de secagem de leite e soro. Indústria de Laticínios, v. 123, p. 68-70, 2016.

    [11] PERRONE, I. T.; SCHUCK, P.; SILVEIRA, A. C. P.; Carvalho, A.F. Soro de leite em pó: the whey to do it?. Indústria de Laticínios, v. Jul/ago, p. 66-70, 2016.

    [12] STEPHANI, Rodrigo; ALMEIDA, MARIANA; OLIVEIRA, MARCONE; OLIVEIRA, LUIZ; PERRONE, ÍTALO; SILVA, PAULO. Study of Thermal Behaviour of Milk Protein Products Using a Chemometric Approach. British Journal of Applied Science & Technology, v. 7, p. 62-83, 2015.

    [13] SOUZA, ALISSON BORGES DE; COSTA JÚNIOR, LUIZ CARLOS GONÇALVES; STEPHANI, Rodrigo; OLIVEIRA, MARCONE AUGUSTO LEAL DE; PERRONE, ÍTALO TULER; COSTA, RENATA GOLIN BUENO. Evaluation of the viscosity profile obtained for dispersions containing different proportions of Milk Protein Concentrate / Whey Protein Concentrate during simulated conditions of thermal processing. Lebensmittel-Wissenschaft + Technologie / Food Science + Technology, v. 64, p. 536-539, 2015.

    [14] SILVA, FERNANDA LOPES DA; FERREIRA, HIANI APARECIDA LIMA; SOUZA, ALISSON BORGES DE; ALMEIDA, DÉBORA DE FREITAS; STEPHANI, Rodrigo; PIROZI, MONICA RIBEIRO; CARVALHO, ANTÔNIO FERNANDES DE; PERRONE, ÍTALO TULER. Production of dulce de leche: The effect of starch addition. Lebensmittel-Wissenschaft + Technologie / Food Science + Technology, v. 62, p. 417-423, 2015.

    [15] SCHUCK, P.; PERRONE, ÍTALO TULER; CARVALHO, A. F.; SILVEIRA, A. C. P.; TORRES, J. K. F.; COSTA, R. G. B. Concentração e secagem de produtos lácteos difíceis. Indústria de Laticínios, v. Jul/ago, p. 66-68, 2015.

    [16] STEPHANI, Rodrigo; BORGES DE SOUZA, ALISSON; LEAL DE OLIVEIRA, MARCONE AUGUSTO; PERRONE, ÍTALO TULER; FERNANDES DE CARVALHO, ANTÔNIO; CAPPA DE OLIVEIRA, LUIZ FERNANDO . Evaluation of the synergistic effects of milk proteins in a rapid viscosity analyzer. Journal of Dairy Science, v. 98, p. 8333-8347, 2015.


    de com baixo custo.