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Qual a finalidade da homogeneização do leite?
A homogeneização foi patenteada em 1899 por Auguste Gaulin como uma invenção para “misturar o leite intimamente” usando pressões de até 30 MPa (GEORGET et al., 2014). A homogeneização é realizada em equipamentos chamados homogeneizadores, realizada em condições específicas de temperatura e pressão. Representa uma etapa importante no processamento do leite, tendo o objetivo de garantir a qualidade e estabilidade do leite e derivados.
Especificamente, dois objetivos principais são alcançados quando o leite fluido a pela etapa de homogeneização: retardamento da cremeação do leite e aumento de sua estabilidade ao evitar-se a coalescência dos glóbulos de gordura (CRUZ et al., 2017a).
Cremeação do leite
No leite cru ou não homogeneizado, um fenômeno denominado cremeação é observado quando o leite permanece em repouso. Isso ocorre devido à separação natural de grande parte dos glóbulos de gordura (principalmente os de diâmetros maiores) do restante dos componentes do leite por diferença de densidade entre as fases.
A cremeação pode ser observada visualmente por meio de uma camada de gordura (creme) que se forma na superfície e isso ocorre quando os glóbulos de gordura se unem, formando agregados maiores com formatos e tamanhos irregulares (Figura 1).
Figura 1. Representação do processo de cremeação no leite.
Fonte: os autores.
De forma, geral, a cremeação é vista como um empecilho para a venda do leite ao consumidor, principalmente se a embalagem do produto for transparente. Desta forma, a cremeação pode ser evitada ou retardada por meio da diminuição significativa do diâmetro médio dos glóbulos de gordura após o processo de homogeneização.
Isso pode ser explicado pela lei de Stokes (Eq. 1), pois com a redução do diâmetro médio dos glóbulos de gordura, a velocidade de separação do creme diminui. Consequentemente, tem-se um aumento na estabilidade do leite fluido.
Coalescência dos glóbulos de gordura do leite
a coalescência é um fenômeno de desestabilização coloidal e consiste na fusão de dois glóbulos de gordura em um só. O aumento da estabilidade à coalescência é alcançada com a homogeneização do leite, uma vez que ao reduzir-se o diâmetro dos glóbulos de gordura, uma nova membrana constituída por caseínas é formada.
Isso contribui para um aumento da estabilidade do leite devido à repulsão eletrostática causada pelas cargas negativas da k-caseína, impedindo a agregação dos novos glóbulos de gordura formados (Figura 2).
Figura 2. Representação do efeito do processo de homogeneização na coalescência dos glóbulos de gordura no leite.
Fonte: os autores.
Como a homogeneização é realizada?
O leite é uma emulsão do tipo óleo em água, na qual, os glóbulos de gordura estão dispersos na fase contínua, que é composta por água, sais minerais, lactose e vitaminas hidrossolúveis. Esses glóbulos de gordura apresentam um diâmetro que varia de 2 a 6 µm, embora possam existir em pequenas quantidades glóbulos atingindo 10 µm.
A homogeneização é um processo físico mecânico que consiste em forçar o leite a pressões elevadas, por meio de um pequeno orifício (gap), a velocidades elevadas, com o objetivo de romper os glóbulos de gordura, subdividindo-os em glóbulos de menor diâmetro (faixa de 0,4 a 2 µm) (Figura 3) (VÉLEZ et al., 2017).
Durante esse processo efeitos como cisalhamento, cavitação, atrito e impacto são verificados como os responsáveis por promover a redução do tamanho dos glóbulos de gordura. Um segundo estágio é aplicado em pressões menores para dissociar os agregados formados no primeiro estágio e é usado principalmente para produtos com elevado teor de gordura.
Figura 3. 1º estágio do processo de homogeneização do leite com redução do diâmetro médio dos glóbulos de gordura de 2 - 6 µm para < 2 µm.
Fonte: os autores.
A redução dos glóbulos de gordura na homogeneização depende das variáveis de processo, tais como: pressão, temperatura, número de estágios do homogeneizador, número de ciclos, conteúdo de gordura e da geometria da válvula de homogeneização.
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Essa redução é acompanhada pelo aumento da área interfacial total. Neste momento, os glóbulos menores não são mais completamente envoltos pelos fosfolipídios originais da membrana, apresentando também proteínas do leite, principalmente as caseínas, adsorvidas à superfície dos glóbulos (Figura 4).
Figura 4. Glóbulos de gordura e micelas de caseínas antes e após a homogeneização do leite.
Fonte: os autores.
Termodinamicamente, podemos associar a redução e distribuição uniforme dos glóbulos de gordura no leite com uma propriedade conhecida como tensão interfacial (γ), a qual é definida pela Eq. 2:
onde: “G” é a Energia Livre de Gibbs do sistema e a “A” área interfacial à determinada temperatura (T) e pressão (P).
Logo, a redução do tamanho dos glóbulos de gordura gera um aumento significativo da área interfacial entre as fases contínua e gordurosa do leite, levando à diminuição da tensão interfacial entre glóbulos de gordura e fase contínua, contribuindo para uma maior estabilidade termodinâmica do leite (ΔG < 0) (Eq. 2).
Além disso, conforme dito anteriormente, a presença de caseínas na nova membrana dos glóbulos menores favorece a ocorrência de forças repulsivas que contribuem para impedir a ocorrência dos fenômenos de agregação.
O que se sabe sobre este fenômeno é que como a caseína apresenta ponto isoelétrico (pI) igual a 4,6, no pH natural do leite (em média 6,6 a 6,8) há excesso de cargas negativas provenientes das caseínas, gerando repulsão eletrostática entre os glóbulos de gordura. Como consequência, estes glóbulos permanecem mais distantes uns dos outros (Figura 5).
Figura 5. Comportamento elétrico das caseínas em diferentes faixas de pH.
Fonte: os autores.
De acordo com a Eq. 3, a variação da Energia Livre de Gibbs é definida em função dos seus termos entálpico (ΔH) e entrópico (TΔS):
onde: ΔH é a variação de entalpia, ΔS é a variação de entropia e T a temperatura do sistema.
A entropia, neste caso, está relacionada com as diferentes conformações que as proteínas podem apresentar quando compõem a membrana do glóbulo de gordura, dando origem a forças de repulsão estérica, a qual somada com a repulsão eletrostática impedem a aproximação dos glóbulos. Portanto, o leite homogeneizado é cineticamente mais estável do que o leite in natura.
Efeito da homogeneização no leite e nos derivados lácteos
De acordo com diversos autores, o leite submetido à homogeneização apresenta (FOX, 2004; WALSTRA et al., 2006; CRUZ et al. 2017a; HOFFMANN, 2016):
- Aumento da consistência, intensificação do sabor e palatabilidade uniforme;
- Coloração mais branca devido ao maior número de glóbulos de gordura, que promovem maior reflexão da luz;
- Maior susceptibilidade a rancidez enzimática (exposição dos triacilgliceróis a ação das lipases) e;
- Maior digestibilidade pelo organismo (exposição dos triacilgliceróis a ação das lipases presentes no trato gastrointestinal).
Na indústria de lácteos, a homogeneização pode ter outros objetivos que não foram mencionados e que depende do produto que será processado. Dessa forma, o conhecimento acerca da distribuição de tamanho dos glóbulos de gordura e da composição de sua interface é fundamental, visto que essas características irão impactar diretamente a qualidade final de derivados lácteos como creme de leite, manteiga, chantilly, sorvete, queijo, dentre outros.
Efeitos da homogeneização na fabricação de creme de leite
Conforme o Regulamento Técnico de Identidade e Qualidade do Creme de Leite (BRASIL, 1996), existem diversas categorias do produto. Em termos de composição, os cremes de leite se diferenciam principalmente quanto ao teor de matéria gorda. Assim, é necessário compreender quais são os efeitos da homogeneização no creme de leite, visto que o teor de gordura e dispersão dos glóbulos têm influência direta na funcionalidade, propriedades reológicas e sensoriais do produto (HOFFMANN, 2016).
No creme, o processo de homogeneização favorece a interação dos glóbulos de gordura com a fase contínua, de modo a diminuir o risco de coalescência e, consequentemente, dificultando a separação de fase durante o armazenamento (o soro não se separa do creme).
Além disso, para evitar a sinérese, além do processo de homogeneização, também pode-se adicionar ao creme agentes espessantes (permite-se a adição de até 0,5% m/m), que irão aumentar a viscosidade e reduzir a ocorrência do fenômeno de coalescência.
Efeitos da homogeneização na fabricação de manteiga
Apesar de a homogeneização ser essencial para alguns tipos de cremes para aqueles que são utilizados. na produção de manteiga ela não é indicada.
A diminuição no diâmetro dos glóbulos de gordura leva a um aumento da área interfacial gordura/fase contínua devido à formação de glóbulos de gordura menores e numerosos. Logo, conforme discutido no tópico 1 deste artigo, os fosfolipídios que antes cobriam os glóbulos de gordura são substituídos pelas proteínas do leite, principalmente caseínas, que possuem cargas elétricas líquidas negativas no pH do creme, impedindo assim a aproximação dos glóbulos de gordura devido à repulsão eletrostática, o que inviabiliza a inversão de fase necessária para a produção de manteiga (CRUZ et al., 2017b).
Efeitos da homogeneização na fabricação de chantilly
Assim como na manteiga, a etapa de homogeneização do creme é desaconselhável, pois a emulsão fica mais estável devido ao tamanho e distribuição dos glóbulos de gordura, dificultando a formação da estrutura da espuma necessária para a estabilização do chantilly.
Efeitos da homogeneização na fabricação de sorvetes
A etapa de homogeneização na fabricação de sorvete é de grande importância tecnológica, influenciando inclusive nos atributos sensoriais característicos do produto. Em geral, esse processo é realizado por meio do bombeamento da calda, que a por um estreito orifício a uma pressão variando de 10 a 25 MPa à 40 - 50 °C, levando à redução do tamanho dos glóbulos de gordura em função dos efeitos de cavitação, cisalhamento, atrito e turbulência (SOUZA; PACHECO; LEITE JÚNIOR, 2021).
A redução no diâmetro dos glóbulos de gordura proporcionada pela homogeneização contribui para a textura macia e uniforme do sorvete, além de diminuir a taxa de derretimento devido à formação de uma emulsão mais estável (SOUZA; PACHECO; LEITE JÚNIOR, 2021).
A homogeneização não é uma etapa obrigatória no processamento de sorvetes, sendo que em produções artesanais, em função da escala de produção, o custo e manutenção do equipamento pode inviabilizar a sua execução (SOUZA; PACHECO; LEITE JÚNIOR, 2021).
Efeitos da homogeneização na fabricação de bebidas lácteas
Em bebidas lácteas essa operação tem como objetivo principal promover a redução dos glóbulos de gordura a fim de não haver separação de fases durante o armazenamento do produto. Como efeitos secundários há uma melhora na dispersão das proteínas e um aumento na estabilidade do produto.
Entretanto, em produções de pequeno porte essa operação não é realizada em virtude dos custos elevados para aquisição e manutenção deste equipamento. Desta forma, essa é uma etapa opcional comumente aplicada em produções de larga escala em laticínios de grande porte.
Efeitos da homogeneização na fabricação de queijos
Em alguns tipos de queijos, como os de mofo azul (gorgonzola, por exemplo), o processo controlado de lipólise é desejável. Desse modo, a homogeneização do leite provoca o aumento da área interfacial dos glóbulos de gordura, facilitando o o das lipases que, ao realizar a hidrólise dos lipídeos, produzem ácidos graxos de cadeia curta, responsáveis pela intensificação do flavor peculiar a estes queijos (VÉLEZ et al., 2017).
Além disso, para queijos com pouco teor de gordura, o processo de homogeneização tem impacto positivo, visto que uma distribuição uniforme dos glóbulos é essencial para melhorar atributos como sabor e textura (obtém-se queijos com maior umidade e de consistência mais suave e cremosa) (VÉLEZ et al., 2017).
Vale lembrar que a homogeneização não é difundida em várias tecnologias de fabricação de queijo, principalmente naquelas em que não é desejável uma lipólise acentuada e para produções artesanais.
Considerações finais
A homogeneização do leite é capaz de promover modificações significativas sobre os constituintes do leite, principalmente sobre os glóbulos de gordura. Compreender quais são os impactos dessas modificações na estabilidade, reologia e atributos sensoriais do leite e derivados é fundamental para obtenção de um produto que atenda as exigências dos consumidores.
Ana Flávia Coelho Pacheco (Mestre em Ciência e Tecnologia de Alimentos e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)
Jeferson Silva Cunha (Bacharel em Ciência e Tecnologia de Laticínios e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)
Gabriela Zinato Pereira (Graduanda em Engenharia de Alimentos e membro do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)
Prof. Dr. Paulo Henrique Costa Paiva (Professor/pesquisador do Instituto de Laticínios Cândido Tostes – EPAMIG-MG).
Profa. Dra. Érica Nascif Rufino Vieira (Professora do Departamento de Tecnologia de Alimentos da UFV e coordenadora do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)
Prof. Dr. Bruno Ricardo de Castro Leite Júnior (Professor do Departamento de Tecnologia de Alimentos da UFV e coordenador do Laboratório de Inovação no Processamento de Alimentos- LIPA/DTA/UFV)
Agradecimentos: ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq pelo financiamento do projeto (n° 429033/2018-4); e pela bolsa de produtividade a B.R.C. Leite Júnior (n°306514/2020-6) e a FAPEMIG (APQ 00388-21).
Referências
CRUZ, A; OLIVEIRA, C.; SÁ, P.; CORASSIN, C. H. Processamento de leites de consumo. Coleção Lácteos - volume 2, Editora: GEN LTC; 1ª ed. 372 p, 2017a.
CRUZ, A.; OLIVEIRA, C.; CORASSIN, C.; SÁ, P. Processamento de Produtos Lácteos: Queijos, Leites Fermentados, Bebidas Lácteas, Sorvete, Manteiga,Creme de Leite, Doce de Leite, Soro em Pó e Lácteos Funcionais. Coleção Lácteos - volume 3, Editora: GEN LTC; 1ª ed. 343 p, 2017b.
FOX, P. F. Cheese: chemistry, physics & microbiology: major cheese groups., Volume 2, 3a edição. New York: Academic Press, 2004, 456p.
HOFFMANN, W.; RUBNER-INSTITUT, M. Cream: Manufacture. Elsevier, 2016.
GEORGET, E., MILLER, B., CALLANAN, M., HEINZ, V., MATHYS, A. (Ultra) high pressure homogenization for continuous high pressure sterilization of pumpable foods-a review. Front. Nutr. v. 1:15, 2014.
DIÁRIO OFICIAL DA UNIÃO. Portaria MAPA n° 146, de 07 de março de 1996. Dispõe sobre o Regulamentos Técnicos de Identidade e Qualidade dos Produtos Lácteos.. [S. l.], 1996.
SOUZA, L. B.; PACHECO, A. F. C.; LEITE JÚNIOR, B. R. C. Sorvete: processamento e aspectos de qualidade. Viçosa - MG : UFV, DEX, 2021.
VÉLEZ, M. A.; HYNES, E. R.; MEINARDI, C. A.; WOLF, V. I.; PEROTTI, M. C. Cheese milk low homogenization enhanced early lipolysis and volatiles compounds production in hard cooked cheeses. Food Research International, v. 96, p. 215-225, 2017.
WALSTRA, P.; WOUTERS, J.T.M.; GEURTS, T.J. Dairy Science and Technology. CRC Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York, 2006.
