Gill T.R.1,2*; Lanteri M.N.1; Lespinard A.R.1,2
1Instituto Multidisciplinario de Investigación y Transferencia Agroalimentaria y Biotecnológica (IMITAB) – CONICET – Instituto de Ciencias Básicas y Aplicadas – Universidad Nacional de Villa María. Córdoba, Argentina.
2Grupo Análisis y Simulación del Procesamiento de Alimentos (ASIPAL) – Instituto Multidisciplinario de Investigación y Transferencia Agroalimentaria y Biotecnológica (IMITAB) – CONICET – Instituto de Ciencias Básicas y Aplicadas – Universidad Nacional de Villa María. *tomasrgill96@gmail.com
Resumen
La alta ingesta de sal se asocia con un mayor riesgo de hipertensión arterial y enfermedades cardiovasculares. Los alimentos ricos en sodio, como los lácteos y embutidos, contribuyen significativamente a esta ingesta, lo que resalta la necesidad de reducir el contenido de sal durante su procesamiento. El objetivo de este estudio fue evaluar y diseñar el proceso de salado para quesos cremosos (con humedad del 53% p/p) con concentración estándar de sal (1,2 g/100 g de queso) y versiones reducidas en sodio (0,6 g/100 g de queso). Para lograr este objetivo, se desarrolló un modelo de simulación computacional 3D para predecir la difusión de NaCl en una horma de queso (dimensiones: 0,22 m x 0,22 m x 0,07 m) durante el proceso de salado a diferentes temperaturas (6, 12 y 18°C). El modelo de simulación se basó en la Segunda Ley de Fick y se resolvió numéricamente mediante el Método de Elementos Finitos, utilizando el software COMSOL Multiphysics. Los coeficientes de difusión empleados en el modelo se obtuvieron a partir de estudios previos y variaron según la temperatura, siendo de 3,14×10-10 m²s-1 a 6°C, 5,47×10-10 m²s-1 a 12°C y 9,81×10-10 m²s-1 a 18°C. Las simulaciones permitieron predecir la distribución y contenidos medios de sal durante el salado a las diferentes condiciones. Con estos resultados, se determinaron los tiempos necesarios para alcanzar una concentración de sal objetivo. Estos tiempos resultaron ser de 195, 100 y 60 minutos a 6, 12 y 18°C, respectivamente, para los quesos con concentración estándar de sal, mientras que, para los quesos reducidos en sodio, los tiempos fueron de 45, 25 y 15 minutos, respectivamente. El modelo desarrollado demostró ser efectivo para calcular los tiempos de salado a diferentes temperaturas. Además, se observó una reducción significativa del tiempo de salado al aumentar la temperatura y al reducir la concentración de NaCl en un 50%. Los resultados de este estudio serán de gran utilidad para optimizar la producción de quesos cremosos de manera más eficiente y saludable, contribuyendo así a la reducción del riesgo de enfermedades cardiovasculares asociadas con el alto consumo de sodio.
Palabras clave: queso cremoso, reducción de sal, tiempos de salado, simulación computacional
Introducción
El cloruro de sodio (NaCl) desempeña un papel fundamental en la producción de quesos, ya que controla la humedad, regula la actividad microbiana y enzimática, aporta sabor salado y realza sabores (Ong y col., 2020). Además, afecta la hidratación y agregación de la para-caseína, influyendo en la retención de agua, la sinéresis y las características reológicas y texturales del queso (Sihufe y col., 2018).
Durante la producción de quesos, se utilizan principalmente tres métodos de salado: la adición directa de sal, el salado en seco y la inmersión en salmuera. En el caso de los quesos cremosos, la técnica más común es la inmersión en salmuera. Cuando el queso se sumerge en salmuera, se produce un proceso de difusión en el que el cloruro de sodio (NaCl) se desplaza desde la salmuera hacia el queso debido a la diferencia de presión osmótica entre la humedad del queso y la salmuera. Simultáneamente, el agua presente en el queso migra a través de su matriz hacia la salmuera para restablecer el equilibrio de presión osmótica (Guinne y col., 2017).
El queso, un producto lácteo fermentado ampliamente consumido en todo el mundo, es una valiosa fuente de proteínas, lípidos, minerales y moléculas bioactivas. Sin embargo, su contenido relativamente alto de sal lo hace poco favorable para la salud cardiovascular (Zhang y col., 2023). Actualmente, la mayoría de las pautas dietéticas recomiendan la inclusión de productos lácteos en una dieta equilibrada, pero instan a evitar las versiones con alto contenido de grasa y sodio (Lichtenstein y col., 2021). Esto plantea la necesidad de que la industria láctea se adapte a las nuevas demandas de los consumidores.
La ingesta diaria de sodio recomendada para un adulto es de 2.4 g (aproximadamente 6 g de NaCl) (OMS, 2006); se estima que dicha ingesta en los países industrializados es de dos a tres veces superior a la recomendada (Guinee, 2004). En la Argentina, el consumo diario de sal es de aproximadamente 12 g, de los cuales un 65-70% proviene de los alimentos procesados (Ferrante y col., 2011). A su vez, en nuestro país los quesos frescos o de pasta blanda, como ser el cremoso, cuartirolo, mozzarella y port salut, constituyen el grupo de quesos de mayor consumo, representando aproximadamente 55% del total de queso consumido en el país (Secretaria de Agroindustria de la Nación., 2016), por lo que la reducción de sal en este tipo de quesos resulta de gran interés a nivel nacional.
Por otra parte, en la industria alimentaria la adopción de tecnologías de la Industria 4.0 -como la digitalización, análisis de datos, automatización y robotización- está revolucionando los procesos y operaciones, mejorando la uniformidad y seguridad en la producción de alimentos y aumentando la productividad y precisión (Dadhaneeya y col., 2023). En este contexto, la combinación de datos experimentales y modelado matemático emerge como una alternativa innovadora para evaluar, controlar y optimizar la difusión de NaCl en la masa de queso, especialmente en la reducción de contenido de sodio, un desafío complejo dada la diversidad de factores involucrados (Clemente y col., 2020).
En base a lo anterior, el objetivo de este trabajo fue desarrollar un modelo de simulación computacional que permita evaluar y diseñar el proceso de salado para producir quesos cremosos con una concentración de sal estándar de 1,2% p/p, así como versiones reducidas en sodio con un contenido del 0,6% p/p.
Materiales y métodos
Muestras
Las muestras a salar fueron hormas de queso cremoso (con forma de paralelepípedo, de 22 cm x 22 cm x 7 cm y de 4.5 kg de peso) retiradas de la línea de elaboración antes de la etapa de salado (Lácteos Las Tres S.R.L., Villa María, Córdoba) (Figura 1-A). Los quesos tuvieron una composición inicial de 53,25 ± 1,25% p/p humedad, 23,40 ± 0.81% p/p grasa, 20,75 ± 0.55% p/p proteína, y 0.07 ± 0.01 % p/p NaCl.
Figura 1 – A) Horma de queso cremoso y B) geometría digital 3D, mostrando el mallado computacional.
Para modelar matemáticamente el fenómeno de difusión de NaCl en el queso se realizó la reconstrucción digital de la geometría 3D de la horma (Figura 1-B) y se discretizó el dominio en 28322 tetraedros, 101220 prismas y 6748 triángulos. A partir del software Comsol Multiphysics versión 5.5, se simuló el proceso difusivo del NaCl durante el salado en salmuera (Figura 2-A). Para esto se utilizó el módulo de transporte de especies diluidas (Figura 2-B).
Figura 2 – A) Salado de queso cremoso por inmersión en salmuera B) Simulación del salado de queso cremoso en el software Comsol Multiphysics
Para modelar la transferencia de masa en la fase acuosa del queso durante el proceso de salado se empleó la segunda ley de Fick (Ecuación 1):
(1)
donde indica la variación de la concentración en la fase acuosa del queso en el tiempo,
es el operador nabla, Def es el coeficiente efectivo de difusión (m2s-1) y C es la concentración de NaCl en la fase acuosa del queso.
Para la resolución del modelo se definieron las siguientes condiciones iniciales y de contorno (Ecuaciones 2, 3 y 4):
(2)
Cara en contacto con la salmuera:
(3)
Superficie lateral del cilindro y cara superior (aislada con film plástico):
(4)
dondeC0 es la concentración de sal en la fase acuosa del queso sin salar, Cs la concentración de NaCl en la salmuera y el vector unitario a la superficie.
Como datos de entrada del modelo se emplearon la concentración de la salmuera (23°Baumé), la concentración inicial de NaCl en la masa de queso (0,07 % p/p) y el coeficiente de difusión de NaCl obtenido en un estudio previo (Gill y col., 2023), para cada temperatura. El modelo se resolvió numéricamente por medio del Método de Elementos Finitos, obteniéndose los tiempos de salado para alcanzar una concentración media de 1,2% p/p y 0,6% p/p en la masa del queso, a las distintas temperaturas ensayadas.
Resultados y discusión
En la Figura 3 se ilustra, a modo de ejemplo, la distribución de la concentración de sal en la horma de queso después de 60 minutos de proceso de salado, para las tres temperaturas estudiadas. Esta figura muestra que, después de ese período, la sal se aloja exclusivamente en la corteza del queso, la cual tiene un espesor que no supera los 9 mm, y dicho espesor aumenta a medida que se incrementa la temperatura de salado.
Figura 3 – Distribución de concentraciones simuladas de NaCl en la masa de queso cremoso salado a A) 6 ºC, B) 12 ºC y C) 18ºC durante 60 min.
En la Figura 4 se muestran los perfiles de concentración obtenidos en un segmento longitudinal de la horma de queso para las distintas temperaturas ensayadas. Se puede observar un mayor desarrollo de los perfiles conforme aumenta el tiempo de salado y la temperatura. En todos los casos, se evidenció una mayor concentración de NaCl en la superficie del queso en contacto con la salmuera, disminuyendo conforme se aproxima al centro de la horma. Como se puede apreciar en dicha figura, la profundidad de penetración de la sal en el queso aumentó a medida que se incrementó la temperatura de proceso, siendo esta de 8, 9 y 12 mm luego de 120 min de salado a 6, 12 y 18°C, respectivamente.
Figura 4 – Perfil de concentración en un segmento longitudinal de la horma de queso durante el salado a A) 6ºC, B) 12ºC y C) 18ºC, a diferentes tiempos. El segmento analizado se muestra en color rojo.
En la Figura 5 se puede observar los perfiles de concentración media desarrollados para cada temperatura estudiada. A partir de ella, se estimaron los tiempos de salados necesarios para alcanzar las concentraciones objetivos.
Figura 5 – Evolución de la concentración de sal en la horma de queso durante el salado a cada temperatura, mostrando las concentraciones objetivo con un segmento rojo.
En la Tabla 1 se detallan los tiempos necesarios, a cada temperatura de proceso, para alcanzar la concentración de sal estándar de 1,2% p/p y la reducida de 0,6 % p/p.
Tabla 1. Tiempos de salado necesarios para alcanzar diferentes concentraciones de NaCl en la masa del queso a distintas temperaturas.
En dicha tabla se observa que, para alcanzar una misma concentración, a medida que aumenta la temperatura de salado, el tiempo de salado disminuye, siendo esta reducción de 70% y de 66% cuando la temperatura del proceso de salado se eleva de 6 a 18ºC, para alcanzar las concentración estándar y reducida de sal, respectivamente. Como era de esperar, al reducir el contenido de NaCl a la mitad, los tiempos de salado disminuyeron 77, 75 y 75 % para las temperaturas de 6, 12 y 18ºC, respectivamente.
En la Figura 6 se presenta la distribución de NaCl, para cada temperatura y tiempo de salado necesario para alcanzar las concentraciones de sal estándar y reducida.
Figura 6 – Distribución de NaCl en un plano medio de la horma del queso cremoso para cada temperatura y tiempo de salado necesario para alcanzar la concentración objetivo.
La Figura 6 revela claramente que el espesor de la región con mayor concentración de NaCl aumenta a medida que se incrementa la concentración media deseada. Es previsible que esta distribución de sal comience a uniformizarse durante la etapa de maduración del queso, como se ha señalado en estudios previos (Santapaola y col., 2013). Por lo tanto, también resulta crucial determinar el período de tiempo que el queso debe permanecer en esta fase antes de su consumo. Por lo anterior, se pretende a futuro realizar estudios en este sentido con el fin de diseñar y establecer las condiciones óptimas de maduración de quesos cremosos.
Conclusión
En este estudio se desarrolló un modelo de simulación computacional que permite estimar los tiempos de salado en función de la temperatura y la concentración de sal deseada en queso cremoso. Se observó una reducción significativa en el tiempo de salado al aumentar la temperatura y reducir la concentración de sal en un 50%. Estos resultados tienen el potencial de mejorar la eficiencia de la producción y reducir el riesgo de enfermedades cardiovasculares. Además, esta investigación se alinea con la tendencia de la Industria 4.0, que busca promover una producción alimentaria más saludable y eficiente mediante la aplicación de la simulación y la digitalización en los procesos productivos.
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