Coagulação enzimática do leite: fundamentação para fabricantes experientes

O processo de coagulação do leite para a fabricação de queijo é um velho conhecido de todos nós e, como diz o jargão popular, alguns já estão “carecas de saber” sobre o assunto. 

Por isso, o objetivo aqui é trazer informações mais profundas sobre este processo complexo e multifatorial que podem dar um novo horizonte aos fabricantes de queijo mais experientes.

A “fechadura” que se modifica

O processo de coagulação enzimática do leite, comumente identificado como um processo de “chave-fechadura” assim como outros processos enzimáticos, tem como substrato essencial a micela de caseína, mais especificamente o segmento K (kapa) que sofrerá hidrólise da enzima coagulante selecionada para o processo de coagulação e até aqui não há muita novidade.

O que pouco se discute é que quando falamos sobre K-caseína sempre há a aparência de estarmos discutindo sobre uma fração com composição imutável que detém sempre os mesmos 169 aminoácidos em sua cadeia. Porém, avaliando com mais critério, observa-se que o seguimento kapa se apresenta em pelo menos 9 formas estruturais conhecidas e que podem diferir entre si no sequenciamento de aminoácidos da cadeia e trazer impactos diretos no processo de coagulação. Estes impactos podem ir desde a oscilação do tempo médio de coagulação em determinada fábrica e processo, até a menor capacidade de formação polimérica que pode reduzir o potencial de aproveitamento de sólidos do leite.

Observe o sequenciamento genético da K-caseína que mostra algumas dessas oscilações importantes na cadeia. Dentro destas oscilações, é possível identificar diferentes sensibilidades da K-caseína aos íons de cálcio, à enzimas coagulantes diversas, ao pH da solução coloidal, à temperatura e outros fatores que vamos chamar daqui para frente de “fatores de coagulação".

Figura 1. Sequenciamento genético da K-caseína

Fonte: Patrick F. Fox, Timothy P. Guinee, Timothy M. Cogan, Paul L. H. McSweeney (auth.) - Fundamentals of Cheese Science-Springer US (2017) - pag 93.

105-106 e outras ligações importantes

Nossa famosa ligação 105-106 naturalmente traz consigo um conceito de importância para o processo de coagulação e, na maioria das discussões sobre o tema, é a única ligação mencionada em toda a cadeia dos 169 aminoácidos da K-caseína. Porém, entende-se que a formação do complexo enzima-substrato sempre dependerá não apenas da ligação que será hidrolisada, mas da conformação espacial que permite o acoplamento da enzima coagulante nesta estrutura.

Dentro de toda a cadeia, podemos identificar o que gosto de chamar de “zona de influência” que é o sequenciamento de aminoácidos que vai do 98 aos 111 e que tem a capacidade de desempenhar a maior influência no que diz respeito à conformação espacial e à sensibilidade da micela de caseína aos fatores de coagulação.

Se olharmos, por exemplo, para o aminoácido diretamente anterior à ligação 105-106, veremos que esta posição é sempre ocupada pela serina (Ser), mais especificamente pela D-Ser. Estudos mostram que a simples substituição deste aminoácido pela sua racemização (L-Ser) é suficiente para interferir na aptidão da micela de caseína à coagulação e impactar na reatividade com que ela acontece. Uma simples molécula racemizada tem a capacidade de alterar as interações elétricas da estrutura e trazer os impactos mencionados anteriormente.

Algumas enzimas coagulantes têm maior ou menor capacidade de interagir com o seguimento kapa das micelas de caseína e hidrolisar a molécula com maior ou menor assertividade na ligação 105-106 independente das modificações estruturais apresentadas. A hidrólise correta nesta ligação construirá nossa terminação polar e sensível ao cálcio que se faz necessária para que ocorra a formação polimérica na fase de agregação. Chama-se esta capacidade da enzima coagulante de realizar a hidrólise nesta ligação de especificidade. Em resumo, quanto maior a especificidade de uma enzima coagulante em realizar este trabalho, maior será a capacidade de retenção de sólidos da coalhada e, obviamente, maior o rendimento do processo.

Agregação e formação de polímero

Identifica-se a caseína como uma molécula com alta capacidade de formação de polímeros, tanto que em uma fábrica de laticínios, induz-se a formação de redes de caseína a cada processo de coagulação e este não demora muito a acontecer se os fatores de coagulação estiverem dentro dos parâmetros adequados.

A fase de agregação das micelas de caseína passa a ocorrer quando há presença de cálcio ionizado e quando, na fase anterior, a enzima coagulante já desempenhou cerca de 97% da hidrólise potencial da k-caseína, ou seja, para que o leite chegue neste momento, exige-se um alto nível de hidrólise, uma vez que o encontro entre as micelas de caseína aqui são completamente aleatórios, as chances de ocasiões de encontro aumentam exponencialmente a medida de que há mais micelas aptas à coagulação.

Veja nos gráficos a relação entre o % avançado no tempo de coagulação desde a adição do coagulante (eixo X), o nível de hidrólise da k-caseína (eixo Y') e o comportamento de ganho de textura do gel da coalhada que é iniciado quando praticamente toda hidrólise já ocorreu.

Figura 2.  Relação entre o % avançado no tempo de coagulação desde a adição do coagulante (eixo X), o nível de hidrólise da k-caseína (eixo Y') e a textura do gel associada.

Fonte: Patrick F. Fox, Timothy P. Guinee, Timothy M. Cogan, Paul L. H. McSweeney (auth.) - Fundamentals of Cheese Science-Springer US (2017) - pag 194.

Daqui para frente, a velocidade com que a organização da matriz de micelas de caseína irá ocorrer, oscila de acordo com os fatores de coagulação e pode ser medida de maneira assertiva pela derivação da evolução da firmeza do gel analisada em tempo real (dada em Pa) no tempo decorrido de coagulação (dado em segundos). Chama-se essa relação de reatividade da coagulação e expressa-se normalmente em Pa/s (pascal por segundo).

A reatividade é determinante para compreendermos a estrutura do gel formado, especialmente no que diz respeito à dimensão e quantidade de poros que se apresentam até que o gel esteja pronto para ser cortado e transformado em massa de queijo. De uma maneira geral, quanto maior é a reatividade da coagulação, há a formação de poros menores na estrutura do gel, o que impacta positivamente na retenção de gordura.

Mas apenas ter uma reatividade alta não é suficiente, uma vez que deve-se aliar os fatores de coagulação mais adequados visando o balanceamento bioquímico entre o que apenas tem o potencial de aumentar a reatividade, mas que talvez não traga de fato efeitos positivos na retenção de gordura e formação de poros menores como, por exemplo, pH de coagulação baixo. Veja abaixo os fatores de coagulação mais populares e seus impactos na reatividade e na retenção de sólidos da coalhada.

Tabela 1. Fatores de coagulação mais populares e seus impactos na reatividade e na retenção de sólidos da coalhada.

Nota-se na tabela acima que os recursos de utilização de uma enzima coagulante mais específica, uma quimosina de terceira geração como referência neste caso, a correta dosagem de cloreto de cálcio e o aumento do teor de proteína do leite (via concentração por exemplo) são os fatores que normalmente estão sob o controle das fábricas e que tem o maior potencial de incrementar a reatividade do processo de coagulação trazendo impacto positivo na retenção de sólidos.

Porém, sendo o gel de coalhada um polímero complexo e bastante dinâmico, não apenas a reatividade é importante visando o aproveitamento de sólidos, mas a estrutura do gel no momento do corte.

Corte - como determinar o momento certo?

Após determinado tempo, toda a fase de agregação chegará ao fim e após mais alguns segundos ou minutos, o gel da coalhada atingirá a firmeza adequada e estará apto para ser cortado. Mas em que momento isso deve ser realizado? 

A estrutura do gel lácteo se modifica com o decorrer do tempo de coagulação de maneira muito dinâmica e veloz, trazendo complexidade quando o assunto é definir o correto momento de corte. Podemos observar aqui o comportamento estrutural do gel analisado por microscopia no decorrer do tempo de coagulação. Nota-se uma diferença bastante significativa entre as 3 primeiras imagens obtidas com 5, 16 e 30 minutos após o início do processo de coagulação respectivamente. Estas 3 imagens representam o leite ainda fluido, a estrutura tridimensional no início da sua formação (muito próximo à floculação) e a estrutura do gel já apresentando alta porosidade e baixa capacidade de retenção de sólidos.

O interessante aqui é entender que a janela ótima para o corte vai ocorrer quando ainda há baixa porosidade na estrutura (potencializada por uma coagulação que desempenha reatividades mais altas), então, observando as fotos microscópicas, conclui-se que em algum momento entre a segunda e a terceira imagem, passamos pelo ponto ótimo para realização do corte da coalhada, porém, a imagem que representa os 30 minutos já não apresenta mais boa capacidade de retenção de sólidos.

Nota-se também que entre a terceira e quarta imagens quase não há modificação estrutural, mesmo que a quarta imagem tenha sido obtida 15 minutos após a terceira, ou seja, com 45 minutos de coagulação. Isso ocorre de forma clara pois a reatividade da coagulação já é baixa neste momento, fazendo com que a estrutura não se modifique tão rápido quanto antes.

Figura 3. Fotos microscópicas da coalhada de leite sendo formada em diferentes tempos: 5, 16, 30 e 45 minutos da esquerda para a direita.

Fonte: Patrick F. Fox, Timothy P. Guinee, Timothy M. Cogan, Paul L. H. McSweeney (auth.) - Fundamentals of Cheese Science-Springer US (2017) - pag 195.

O resumo é que a janela ótima de corte é significativamente curta (representada de forma esquemática pelo gráfico abaixo). 

Figura 4. Janela ótima de corte

Além de muito curta, a janela de corte oscila significativamente a depender dos fatores de coagulação que estão atuando em conjunto em cada tanque específico de fabricação. Observe o gráfico de dispersão que demonstra em um caso prático o tempo em segundos em que cada tanque de fabricação levou para atingir a mesma firmeza de gel (no ponto ideal de corte para este caso).

Figura 5. Análise tanque a tanque do tempo necessário para a coalhada atingir o ponto ótimo de corte em segundos. Oscilação de 1100 a 1460 segundos (18,3 a 24,3 minutos)

A boa notícia é que é possível realizar a mensuração da firmeza do gel em tempo real com as tecnologias atuais, como o CoaguSens™ que permite ao fabricante de queijo observar a evolução da firmeza do gel em tempo real e definir de maneira assertiva e recorrente o momento de corte ideal focando-se em recuperação de sólidos e padronização físico-química dos queijos.

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