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Jun 10, 2023

Análisis comparativo de calidad y viabilidad económica de una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar para la cadena de valor láctea descentralizada

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6878 (2023) Citar este artículo 842 Accesos Detalles de métricas Debido a la falta de instalaciones de procesamiento de leche en la granja, los productores de leche tienen que vender leche cruda,

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6878 (2023) Citar este artículo

842 Accesos

Detalles de métricas

Debido a la falta de instalaciones de procesamiento de leche en las granjas, los productores de leche tienen que vender leche cruda, lo que genera compromisos económicos y de calidad. El estudio comparó la calidad del yogur procesado en una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar con la cadena de valor de la leche existente y su viabilidad tecnoeconómica. Para ello se ejecutó una investigación del experimento donde se compararon cuatro enfoques diferentes de procesamiento de leche. Los atributos de calidad de la leche procesada como grasa (5,283%), sólidos magros (9,0833%), sales (0,6833%), proteínas (3,8%), lactosa (4,1%), sólidos totales (14,383%), pH ( 6,87), la densidad (1,031 kg/L) y el punto de congelación (-0,532 °C) se encontraron dentro de los rangos estandarizados. De igual forma, para el caso del yogurt, estos atributos se encontraron como grasa (5.5%), sólidos magros (8.683%), acidez (0.93%), lactosa (4.73%), sólidos totales (14.183%), pH ( 4,3433), densidad (1,039 kg/L), sinéresis (9,87 ml/100 g), rango de recuento de S. thermophilus (10,18–10,30 log ufc/mL) y rango de recuento de L. bulgaricus (10,26–10,34 log ufc/mL). Además, la no detección de recuento de coliformes en yogur procesado con energía solar, avaló la idea actual de realizar tres procesos de calentamiento, fermentación y enfriamiento en una sola unidad. Según las fuentes de energía utilizadas, se calculó que el período de recuperación sería de 1,3 a 9 años con una vida útil esperada de 15 años, mientras que en términos de ganancias del producto, se predijo que el período de recuperación sería de 1,78 años. El costo de procesamiento por litro de leche para la producción de yogur se calculó en 0,0189 dólares. Teniendo en cuenta el ahorro de emisiones de CO2, se prevé que una unidad de procesamiento de yogur alimentada por energía solar pueda generar 107,73 MWh de energía útil durante su vida operativa con cero emisiones de CO2.

El yogur es uno de los productos lácteos fermentados más antiguos y se consume ampliamente en todo el mundo. Contiene muchas proteínas, calcio y vitaminas. Las bacterias productoras de ácido láctico, como S. thermophilus y L. bulgaricus, u otras bacterias con metabolismo mutuamente complementario, fermentan el yogur1. El yogur natural tiene un delicado sabor a nuez y una textura gelatinosa suave y viscosa2. Las bacterias del ácido láctico fermentan la lactosa y producen ácido láctico, dióxido de carbono, ácido acético, diacetilo, acetaldehído y una variedad de otros compuestos que dan al yogur su sabor distintivo3. Hamdan et al.4 descubrieron que una mezcla 1:1 de L. bulgaricus y S. Thermophilus producía un alto contenido de acetaldehído en la leche. Sin embargo, producir yogur seguro y de alta calidad requiere un procesamiento meticuloso. En realidad, incluso una pequeña cantidad de contaminación puede degradar la calidad del yogur y tener graves consecuencias para la salud de los consumidores.

Pakistán produce más de 59,666 millones de toneladas de leche anualmente, ocupando el tercer lugar en el mundo después de India y Estados Unidos5, siendo la mayor parte de los productores pequeños agricultores (> 80%). Desafortunadamente, sólo el 5% de esta leche se procesa y el resto lo manipulan lecheros que frecuentemente son insalubres y plantean importantes problemas de salud. Debido a la falta de instalaciones de procesamiento, entre el 15% y el 19% del total de leche producida en el país se desperdicia, mientras que el resto se manipula incorrectamente6. El yogur es un producto lácteo popular no solo en el subcontinente Indo-Pak, sino también en todo el mundo, es decir, la producción de yogur aumentó en 8,3 × 106 toneladas durante el período de 1990 a 2015 en los Estados Unidos7. En Pakistán, el yogur representa más del 70% de todos los productos lácteos fermentados8, aunque la fermentación de la leche recibe menos atención para mejorar la vida útil, el aroma y el contenido nutricional. En el Cuadro 1 se enumeran los principales países productores de leche5 y yogur9.

Desafortunadamente, varios adulterantes químicos y microbiológicos degradan la calidad de la leche durante todo el procesamiento y la cadena de suministro10,11,12,13,14. En los países en desarrollo, los sistemas de producción y distribución de leche siguen siendo muy tradicionales y dominados principalmente por el sector privado informal, que está formado por diversos agentes como productores, recolectores, intermediarios, procesadores, comerciantes y lecherías, cada uno de los cuales desempeña un papel especializado. en un punto específico de la cadena de suministro15. Prácticamente, en cada etapa del proceso de marketing, casi no hay pruebas16. La mayoría de las empresas lácteas en las zonas urbanas están expuestas al polvo y a los insectos, y sólo unas pocas están equipadas con refrigeración. Los contenedores de transporte son insalubres y la adulteración de la leche es una preocupación importante en la cadena de suministro de leche periurbana. Sin embargo, debido a que los clientes del país se preocupan por los precios, la demanda de leche cruda y sus productos, como el yogur, es mayor que la de la leche procesada y sus productos17. Debido al consumo generalizado de leche y productos lácteos, estos productos son posibles objetivos de adulteración, con beneficios económicos para productores sin escrúpulos18.

En Pakistán, se puede acceder a una cantidad muy menor de yogur procesado (de marca), y el yogur es producido principalmente a pequeña escala (sin marca) por la población local (Gawalas) y se lo conoce localmente como dahi. El yogur sin marca (dahi) se elabora en condiciones menos controladas que el yogur de marca (estandarización de la leche, concentración del cultivo, viabilidad, temperatura y tiempo de incubación, etc.). Además, no existen directrices claras para los productos lácteos fermentados. Como resultado, la calidad del yogur/dahi en el mercado local varía mucho de una tienda a otra. Sin embargo, la gente es cada vez más consciente de la importancia de la calidad de los alimentos19. Muchos factores influyen en la calidad del yogur procesado. Una de las variables más esenciales es mantener el perfil de temperatura adecuado, es decir, calentar la leche a 80 °C, mantener la temperatura de la leche inoculada entre 40 y 45 °C durante la fermentación y luego enfriar rápidamente el yogur por debajo de 8 °C20. Grigorov21 también recomendó la pasteurización de la leche a 85 °C durante 20 a 30 minutos para minimizar la sinéresis en el yogur en lugar de 90 a 95 °C, que provoca el deterioro del producto con tiempos de mantenimiento similares. Rowland22 examinó cuánta albúmina y globulina se desnaturalizaban cuando la leche se calentaba a temperaturas que oscilaban entre 63 y 80 °C durante períodos de tiempo variables, y encontró que el 83,4% del total de albúmina y globulina se desnaturalizaba después de 30 minutos a 80 °C.

La contaminación microbiana (patógenos) puede ocurrir como resultado de condiciones de operación insalubres, lo que representa un riesgo importante para la salud de los consumidores. Por otro lado, la demanda de los clientes por el sabor, la calidad, la estabilidad y la vida útil de la leche y el yogur está aumentando. Como resultado, se requiere investigación básica en el campo de la evaluación de la calidad de la leche y el yogur comercializados para sensibilizar al público. Para ello, se obtuvieron varias muestras de leche/yogur de marca (industrial) y sin marca (de producción local) y se analizó su calidad en Faisalabad, la tercera ciudad más grande de Pakistán.

En segundo lugar, la falta de instalaciones de procesamiento en las granjas, obliga a los productores de leche a vender leche cruda perecedera de alta calidad a los lecheros locales y a los grandes recolectores de leche a precios más bajos23. En Pakistán, casi el 95% de la leche se vende cruda a través de canales de comercialización informales, lo que ofrece la posibilidad de adulteración en cada paso de la cadena de suministro24. Los procesadores utilizan con frecuencia criterios de calidad tradicionales, como oler o hervir la leche para identificar cualquier cuajada o adulteración. El procesamiento se realiza frecuentemente en condiciones insalubres. La mano de obra, el alquiler de locales y el combustible, que puede variar desde la quema de madera hasta la electricidad, están incluidos en los costos de producción. Por ejemplo, un tanque de enfriamiento de granja con una capacidad de 200 L cuesta USD 3313 y uno con una capacidad de 1000 L cuesta USD 6812. Como resultado, la leche se almacena tradicionalmente en recipientes no aptos para alimentos con hielo (que puede estar contaminado). ) como refrigerante para evitar su deterioro, especialmente durante la temporada de verano16. Por lo tanto, la capacidad de los productores de lácteos para instalar unidades de refrigeración y pasteurizadores para el procesamiento de lácteos en las granjas se ve obstaculizada por los altos gastos operativos y de adquisición.

El uso de insumos de energía de combustibles fósiles para una operación continua representa una parte considerable de los costos en las granjas lecheras con instalaciones de procesamiento de leche. La industria láctea produce alrededor del 4% de todos los gases de efecto invernadero (GEI) antropogénicos, o alrededor de 1.200 millones de toneladas de CO2 cada año25. El uso generalizado de combustibles fósiles como fuente de energía primaria en el procesamiento de lácteos contribuye a la contaminación, lo que requiere medidas inmediatas para hacer la transición del procesamiento de lácteos a fuentes de energía renovables26. Pakistán recibe una gran cantidad de energía solar, 19 MJm-2 por 7,6 ha día, con una DNI de 5 a 7 kWh m-2 d-1 en promedio27. Más de mil millones de personas (56 por ciento) en Pakistán viven en áreas rurales y remotas, y dependen de la madera, el carbón vegetal, las tortas de estiércol, los residuos agrícolas o los combustibles a base de carbono para satisfacer sus demandas energéticas. Si bien más de 510 millones (27%) todavía no están conectados a la red eléctrica nacional, aquellos que sí lo están tienen líneas de transmisión limitadas a regiones habitadas para uso residencial exclusivamente, y la mayoría de las operaciones de las granjas lecheras se llevan a cabo fuera de las aldeas28. En pocas palabras, desarrollar soluciones energéticas autosuficientes, viables y fuera de la red para las zonas rurales es la necesidad de este momento. Por lo tanto, se ha desarrollado una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar para el procesamiento descentralizado de leche cruda20,29. Aunque el producto final final es el yogur, el sistema desarrollado procesa el yogur a partir de leche cruda, es decir, es capaz de calentar la leche cruda, que es el requisito previo para la fermentación del yogur. Porque la calidad de la leche cruda afecta la calidad del yogur y se espera adulteración en la leche cruda durante su transporte (práctica convencional). Por lo tanto, en el estudio actual se realizaron análisis de calidad del yogur y de la leche cruda para compararlos con la leche disponible localmente que se utiliza para preparar yogur en el hogar y en las tiendas locales. Además, también se ha estudiado la viabilidad económica del sistema para su adaptación en la comunidad rural. Se espera que la tecnología capaz de procesar un producto de calidad con gastos operativos mínimos no solo ayude a reducir las pérdidas post-ordeño sino que también genere ingresos para los usuarios finales.

En colaboración con el Centro Internacional para el Desarrollo y el Trabajo Decente (ICDD, Universidad de Kassel, Alemania e Industrias Lácteas, Okara-Pakistán), el Departamento de Ingeniería de Sistemas Energéticos de la Universidad de Agricultura de Faisalabad (UAF) Pakistán ha desarrollado y fabricado un procesador completo de yogur. unidad.

El diseño de la unidad de procesamiento de yogur y la selección de su fuente de energía depende principalmente de algunos factores fundamentales como el mantenimiento, la eficiencia energética y, en particular, el ciclo de vida del producto y el impacto ambiental. La Figura 1 muestra una unidad de procesamiento de yogur con energía solar diseñada para procesar la leche cruda y fermentarla para convertirla en yogur en el sitio de producción de manera oportuna y controlada. Consta de una cámara de fermentación cilíndrica (560 mm de diámetro y 230 mm de profundidad) con una capacidad de 50 L fabricada en acero inoxidable (grado alimentario SS 304) y está rodeada por un serpentín calefactor (3,5 m de largo, 40 mm de ancho y 12,5 mm). alto). Se coloca una placa de almohada en la superficie inferior de la cámara que funciona como evaporador por razones de enfriamiento. Se pueden encontrar más detalles técnicos en Husnain et al.20.

Unidad de procesamiento de yogurt asistida por energía solar20.

Brevemente, para explicar el procedimiento operativo, la Fig. 2 muestra el esquema de la unidad desarrollada para detallar la conectividad de los componentes. La unidad de procesamiento de yogur se acopló con un tanque de almacenamiento de agua caliente de 100 L de capacidad que recibe calor de un colector solar de tubo de vacío (2,46 m2). Se instaló una bomba centrífuga (Wilo-SP106) para la circulación de solución de propilenglicol (50% en volumen) entre el tanque de almacenamiento de agua caliente y el colector de tubo de vacío. La bomba puede funcionar a tres velocidades variables (600 L/h, 900 L/h y 1100 L/h) y requiere 80 W de potencia a velocidad máxima. Se instaló otra bomba centrífuga de circulación de agua de acero inoxidable (WB50/025D, 50 L/min.) entre la salida del tanque de almacenamiento de agua caliente y la entrada de la unidad de procesamiento de yogur para hacer circular el agua caliente a través del intercambiador de calor de serpentín en espiral cuadrado. para aumentar la temperatura de la leche hasta 80 °C. Debido a que el sistema está cerrado, se incluyó un recipiente de expansión (12 L) para evitar la acumulación de alta presión. Cuando la diferencia de temperatura entre la solución de agua y glicol que sale del colector de tubo de vacío y el agua en la parte inferior del tanque de almacenamiento de agua caliente excede los 5 °C, el controlador enciende la bomba de circulación (Wilo-SP106) y la apaga cuando el diferencial es inferior a 5 °C o cuando la temperatura del agua en el tanque de almacenamiento supera los 90 °C.

Diseño de instalación experimental de una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar20.

El estudio se llevó a cabo en la región de Faisalabad, Pakistán, para evaluar la calidad del yogur de las tiendas locales, el yogur casero, el yogur de marca/procesado por la empresa y el yogur procesado con energía solar, con el fin de realizar una comparación de calidad exhaustiva. Los protocolos experimentales incluyeron el calentamiento de tres cantidades diferentes de leche cruda (50, 40 y 30 L) hasta 80 °C a una velocidad de agitación continua de 36 rpm, lo que tomó entre 140 y 80 minutos, dependiendo de la cantidad a procesar. Después de eso, se pasó agua del grifo a través del serpentín de calentamiento en un circuito abierto bajo la supervisión de válvulas operadas manualmente para bajar la temperatura de la leche calentada a 43 °C, que se recomienda para la fermentación de la leche. Se inoculó el cultivo iniciador (2-3% del volumen de leche) a esta temperatura y la temperatura se mantuvo mediante una válvula solenoide que controlaba la circulación de agua caliente durante 5-6 h hasta que se alcanzó el pH requerido (4,85-4,5). . Después de ese proceso, se encendió el sistema de refrigeración para bajar la temperatura del yogur por debajo de 8 °C, lo cual es esencial para aumentar la vida útil al reducir la actividad bacteriana, que normalmente demora entre 48 y 103 minutos dependiendo de la cantidad de leche procesada y las velocidades del agitador (36, 18 y 6 rpm). Las temperaturas en la entrada y salida del colector de tubo de vacío, la parte superior e inferior del tanque de almacenamiento de agua caliente y el interior de la cámara de fermentación se midieron utilizando un controlador con sensores de temperatura basados ​​en detectores de temperatura de resistencia (RTD). Mientras la leche fermentaba, se midió el pH utilizando un medidor de pH portátil (ML1010). Se utilizaron una pinza amperimétrica (Fluke 345PQ) y un piranómetro (METEON) para acceder al rendimiento del sistema fotovoltaico instalado. Además, se llevó a cabo CIP después de cada experimento. Husnain et al.20 presentan una descripción detallada de este proceso.

El estudio utilizó un analizador de leche ultrasónico (Master Pro P1, Milkotester Ltd.) para determinar atributos físicos como agua añadida (W, %), punto de congelación (Fp, °C), temperatura (T, °C), densidad (ρ , kg/L) y pH, y atributos químicos: grasa (Ft., %), proteína (Prot., %), sales (Sal., %), sólidos no grasos (SNF%) y lactosa (Lac. , %) con una capacidad de ensayo de 50 muestras por hora. Se utilizó un analizador de leche para examinar la calidad de la leche en tiendas abiertas de venta de leche/yogur seleccionadas al azar (20), leche para yogur casero (20) y leche de marca/procesada por la empresa (10). En condiciones esterilizadas, se recogieron al mismo tiempo tres muestras de leche y yogur ya fermentado de cada tienda local y lechero seleccionados en Faisalabad. Cada muestra de leche y yogur de marca produjo tres muestras aleatorias. Las muestras sin marca se reunieron en viales desinfectados, mientras que las muestras de marca se conservaron en su embalaje original. Las muestras se analizaron lo antes posible después de su recolección. Luego se comparó la calidad del yogur procesado con una unidad solar de procesamiento de yogur recientemente desarrollada con los datos recopilados. Todos los datos se recogieron por duplicado. La Figura 3 muestra un diagrama de flujo de la técnica de investigación. La viabilidad económica de la unidad solar de procesamiento de yogur se estudió utilizando el método de línea recta y el costo de procesamiento por litro de leche después del análisis de calidad. Además, se ha calculado la reducción de las emisiones de carbono durante la vida útil de la máquina recientemente desarrollada.

Diagrama de flujo de la metodología de la investigación.

Se utilizó un analizador de leche ultrasónico para verificar la calidad de la leche utilizada para la fermentación del yogur (Master Pro P1, Milkotester Ltd.). El analizador de leche se calibró para el rebaño local de acuerdo con los protocolos estándar del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de los Alimentos (NIFSAT) de la Universidad de Agricultura de Faisalabad (UAF), Pakistán, para garantizar la exactitud y confiabilidad de los resultados30. Aunque numerosos parámetros fisicoquímicos como W, Fp, T, ρ, pH, Ft, Prot., Sal., SNF y Lac. fueron examinados con un analizador de leche ultrasónico, también se realizaron pruebas de laboratorio con fines de calibración. El contenido de grasa de la leche/yogur se determinó mediante el método de Gerber, según lo descrito por Pearson31, y el contenido de proteína se determinó mediante el método de Kjeldahl, según lo informado por la AOAC32. Los sólidos totales (TS, %) se determinaron utilizando el AOAC32 y para determinar el contenido de SNF presente en una muestra de leche determinada se utilizó la técnica Harding33. El contenido de lactosa de la muestra de leche se investigó mediante la siguiente fórmula24:

Según la AOAC32, el contenido de cenizas (%) se determinó mediante un método gravimétrico en un horno de mufla a 550 °C. Se utilizó la prueba de reducción de azul de metileno para determinar el estado sanitario de la leche/yogur. Se utilizaron técnicas estándar para detectar diversos adulterantes de la leche y el yogur, como agua, almidón, urea, formalina, peróxido de hidrógeno, detergentes, aceite y azúcar de caña34.

Para separar el suero de las muestras de yogur se utilizó el procedimiento descrito por Hassan et al.35. A 5 °C, se transfirieron progresivamente 25 ml de yogur fraguado a tubos de centrífuga de 50 ml, provocando una mínima alteración del coágulo. Los tubos de centrífuga se pesaron y se centrifugaron durante 20 minutos a 3394 RPM en una centrífuga eppendorf (5804 R) (fabricada en Alemania). En los tubos de centrífuga, la cantidad de suero separado en la parte superior del coágulo se midió en mililitros. La sinéresis del suero se midió utilizando la fracción en peso del líquido sobrenadante (ml/100 g de yogur). La separación del suero fue proporcional al volumen del suero separado y viceversa.

El recuento total viable de S. thermophilus, L. bulgaricus y coliformes se determinó utilizando el método de recuento en placa estándar de Coppuccino y Sherman36. Según Harrigan y McCance37, los medios selectivos utilizados para un recuento viable de S. thermophilus, L. bulgaricus y Coliformes fueron agar lactosa tiza roja neutra, agar acetato y agar bilis roja violada, respectivamente.

Todos los datos se tomaron por triplicado y se utilizó el análisis de varianza de Fisher para examinar estadísticamente los datos obtenidos sobre varios parámetros utilizando el programa informático MINITAB (2018). Las diferencias entre las medias de los tratamientos se compararon mediante la prueba de diferencia mínima significativa (LSD) con niveles de probabilidad de 0,05. (Steel et al. 1997)38.

La viabilidad económica, además de la solidez técnica, es un factor importante para la adopción exitosa de la tecnología desarrollada por parte de los productores y procesadores de leche. Como resultado, utilizando el método lineal, la unidad de procesamiento de yogur20 se evaluó económicamente en función del período de recuperación y los ingresos generados durante la vida útil39. Los costos fijos incluyeron la inversión inicial, depreciación (Ec. 2), intereses (Ec. 3), seguros (2%), impuestos (1,5%) y costos de vivienda, así como gastos operativos como mano de obra, operación (10% ), y gastos de reparación y mantenimiento (25%). Los costos de vivienda y mano de obra no se incluyeron ya que se supuso que los productores de leche procesarían la leche utilizando tecnologías desarrolladas a nivel de granja.

El valor de rescate se fijó en el 10% de la inversión original y la vida útil proyectada se fijó en 15 años. La siguiente ecuación se utiliza para calcular el interés utilizando la tasa de interés anual en Pakistán (7%) como factor.

Los períodos de recuperación se calcularon utilizando un enfoque de equilibrio. El punto de equilibrio, según Munir et al.40, es el tiempo que lleva igualar el coste total (fijo y operativo) y los ingresos (en términos de ahorro acumulado de combustible y beneficio del producto), después del cual la máquina empieza a generar ingresos. en términos de ahorro de combustible. Debido a que las condiciones climáticas afectan las horas de trabajo utilizables diarias, todas las estimaciones económicas se realizaron por horas.

Debido a que la unidad de procesamiento de yogur desarrollada20,29 funciona totalmente con energía solar, no ha habido emisiones de carbono. En comparación con los recursos generadores de energía basados ​​en combustibles fósiles, también se llevó a cabo un estudio de ahorro de carbono para estimar las emisiones de CO2. Por esta razón, se calculó la energía total utilizada por las tecnologías desarrolladas durante sus horas de funcionamiento a lo largo de su vida útil, y se calcularon las emisiones de CO2 de los recursos energéticos no renovables si se emplearan para crear la misma cantidad de energía. Quaschning41 publicó las emisiones de CO2 por kWh de generación de energía utilizando diversos combustibles fósiles, que se utilizaron para calcular las emisiones de CO2 generadas por estos combustibles para una generación de energía equivalente.

El valor medio del pH de las muestras de leche recolectadas de fuentes distintas a la leche procesada con energía solar osciló entre 6,53 y 6,60 (Tabla 2) y se encontró que estaba dentro de los límites normales. Varios investigadores informaron hallazgos similares42,43. La adición de hielo, agua o cualquier otro conservante químico para prolongar la perecibilidad de la leche cruda pura podría ser la causa de valores de pH más bajos en las muestras de leche comercializadas24. La leche procesada con energía solar (6,87 + 0,0404) tuvo el mayor pH y fue la más cercana al pH exigido, ya que era pura y fresca, sin impurezas. Por otro lado, el pH de todas las muestras de yogur de marca y procesado con energía solar fue superior a 4, mientras que el pH de las muestras de yogur hecho a mano y de tiendas locales fue incluso inferior a 4, lo que resultó en una mayor acidez (Tabla 3). De hecho, la fermentación no controlada da como resultado un pH más bajo y una mayor acidez. Además, el yogur sin marca carece de un mecanismo de dosificación de cultivo adecuado, lo que tiene un impacto significativo en la acidez del producto terminado44. El yogur procesado con energía solar (4,3433 + 0,0521) tuvo el mayor pH y fue el más cercano al pH exigido, ya que era puro y fresco, sin contaminantes.

La leche comercializada localmente tuvo el rango de punto de congelación más amplio, desde − 0,449 ± 0,00404 hasta − 0,463 ± 0,00115, como se muestra en la Tabla 2, seguida de la leche tratada por la empresa para la fermentación del yogur (− 0,518 ± 0,00115) y la leche procesada con energía solar (− 0,532 ± 0,000577). La individualidad, las variaciones raciales, la acidez adquirida, el calostro, la mastitis, la etapa de lactancia, la nutrición y la estación pueden afectar el punto de congelación de la leche45. Además, la presencia de agua mezclada en la leche del mercado local puede estar relacionada con el mayor punto de congelación de las muestras, ya que la investigación actual encontró que la leche del mercado local contenía un mayor porcentaje de agua agregada.

El rango de densidad más bajo se ha reportado en la leche y el yogur disponibles en el mercado local (1,028 ± 0,0052 a 1,029 ± 0,00231) y (1,034 ± 0,00173 a 1,036 ± 0,000577) respectivamente, presumiblemente debido a la dilución del agua en la leche cruda24. Se determinó que la leche y el yogur procesados ​​por la empresa (1,031 ± 0,000577) y (1,04 + 0,00115), así como la leche y el yogur procesados ​​con energía solar (1,031 ± 0,000577) y (1,039 ± 0,000577), respectivamente, como se muestra en las Tablas 2 y 3, ser más coherente con el rango de densidad de leche especificado en la Norma sobre alimentos puros de Pakistán de 196546. La inclusión de agentes aglutinantes y conservantes para una vida útil más larga puede ser la causa de la mayor densidad del yogur procesado por la empresa.

Las temperaturas de las muestras durante las pruebas para las tiendas de leche locales, los lecheros y la leche procesada por la empresa oscilaron entre 28,9 y 30,3 °C, con una temperatura promedio de la muestra de 29,2 °C, y se confirmó que estaban dentro de las condiciones de prueba del analizador de leche30.

Sobre la base de diferentes propiedades químicas, los resultados del procesamiento solar de leche y yogur procesados ​​se comparan con muestras de leche y yogur procesados ​​disponibles en el mercado local y corporativo y se ilustran en las Tablas 2 y 3, respectivamente.

Como se muestra en las Tablas 2 y 3, el porcentaje de grasa de la leche y el yogur disponibles localmente osciló entre 1,783 y 2,683% y 1,8833 y 2,547% respectivamente y tuvo los valores más bajos de todas las demás fuentes examinadas, lo que indica que la leche y el yogur de vaca tuvieron los valores más bajos. porcentaje de grasa. Estos hallazgos de disminución del porcentaje de grasa podrían deberse a una sospecha de adulteración de la leche de vaca con agua. En investigaciones anteriores se describieron las mismas causas de adulteración24,47. El desnatado o desnatado parcial de la leche es una práctica frecuente en las plantas procesadoras de leche locales, lo que resulta en un menor contenido de grasa en la leche y sus derivados. El porcentaje de grasa variable también puede deberse a diferencias en la raza, el tipo y la calidad del alimento, factores ambientales y variabilidad genética33,47. La leche y el yogur procesados ​​solarmente, por otro lado, tenían los porcentajes de grasa más altos de 5,3 y 5,5%, lo que es similar al estándar de la industria, y fueron seguidos por la leche y el yogur procesados ​​corporativos (3,5%)46.

Se determinó que el SNF (%) de la leche y el yogur procesados ​​corporativamente y procesados ​​con energía solar era 8,68% y 9,0833% para la leche y 8,783% y 8,683% para el yogur, respectivamente, lo que entra dentro de la norma recomendada por la Regla de Alimentos Puros de Pakistán de 196546. La inclusión de conservantes y agentes aglutinantes para una vida útil más larga y una producción de yogur más espeso puede explicar el mayor valor de SNF en el yogur procesado por la empresa. Según Awan46, los resultados para la leche y el yogur SNF del mercado local (%) no cumplieron con el requisito mínimo legal (Tablas 2, 3), pero fueron significativamente más bajos que los de la leche de vaca (8,50%). Estos hallazgos son congruentes con los de un estudio reciente, que indicó que las muestras de leche del mercado local estaban constantemente contaminadas con agua o leche de vaca, ya que tenían mayores puntos de congelación.

En la leche se encuentran fosfolípidos, cloruros, carbonatos y bicarbonatos de sodio, potasio, calcio y magnesio, entre otras sales. Se utilizó un analizador de leche para determinar la concentración general de sales en las muestras de leche y los resultados revelaron que se identificaron sales en todas las muestras examinadas en el rango de 0,3833 a 0,6833 por ciento. Como se muestra en la Tabla 2, se encontraron porcentajes de sal más bajos en las tiendas locales y en las lecherías que vendían leche, mientras que los porcentajes de sal más altos se encontraron en la leche comercial y procesada con energía solar. Se encontró que los hallazgos eran comparables a los de Abd El-Salam y El-Shibiny48.

La leche procesada con energía solar (3,8%) tuvo el mayor contenido de proteína (%), seguida de la leche procesada por la empresa (3,2%) y la leche procesada en el mercado local (2,1–2,2%), como se muestra en la Tabla 2. El nivel de proteína de Se encontró que la leche solar y procesada en el mercado cumplía con los criterios de calidad46. Sin embargo, las diferencias en el contenido de proteínas (%) pueden atribuirse a la calidad del procesamiento y a los enfoques de gestión.

Como se muestra en la Tabla 2, los niveles de lactosa fueron más altos (4,1%) en la leche utilizada en las unidades solares de procesamiento de yogur para la producción de yogur y más bajos (2,4–2,6%) en la leche del mercado local. Se determinó que el contenido de lactosa era del 4,0 % en la leche procesada por la empresa. Sharif et al.49 vincularon la gravedad de la mastitis subclínica con una caída de lactosa (%) en la leche de búfala paquistaní, pero el fundamento más relevante para el estudio actual podría ser la adulteración de la leche, lo que resulta en niveles más bajos de lactosa en la leche del mercado local. .

Las tiendas y los lecheros locales que suministraban leche y yogur tenían contenidos de sólidos totales de 7,483 ± 0,188% y 8,2867 ± 0,0924% para la leche, y 7,483 ± 0,193% y 8,183 ± 0,130% para el yogur, respectivamente, lo que era muy inferior al valor medio de la empresa. leche y yogurt procesados ​​(12,2 ± 0,24% y 12,3 ± 0,24%) y leche y yogurt procesados ​​solarmente (14,383 ± 0,0606% y 14,183 ± 0,0722%) y no cumplieron con los estándares de calidad46. Como se muestra en las Tablas 2 y 3, la leche y el yogur procesados ​​con energía solar tuvieron el TS estandarizado más alto (%), seguidos por la leche y el yogur procesados ​​por la empresa.

La evaluación de la calidad microbiológica del yogur se ocupa principalmente de dos aspectos: (1) la protección del consumidor contra riesgos para la salud y (2) garantizar que el material no sufra deterioro microbiano durante su vida útil esperada50. En realidad, ayuda a determinar en qué medida se tomaron precauciones higiénicas durante el procesamiento, lo que permite pronosticar la vida útil del producto y detectar posibles riesgos para la salud (patógenos).

La presencia de coliformes (6–15 ufc/mL) en muestras de yogur de marca se descubrió mediante examen microbiológico, lo que indica algún tipo de maltrato (debe ser ≤ 10 ufc/mL o 1 log ufc/mL) incluso dentro de la industria. Sin embargo, en muestras de yogur de tiendas locales, se encontró un número mayor (1,93–2 log ufc/mL) y (1,34–1,43 log ufc/mL) de coliformes, lo que indica un alto nivel de mal manejo. El mayor nivel de coliformes puede deberse a las condiciones de suciedad que existieron durante el proceso de producción. Además, esta cifra puede incluir la contaminación procedente de la etapa de posprocesamiento. Por otro lado, el yogur producido por una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar no tenía rastros de coliformes, lo que indica un alto nivel de condiciones higiénicas de procesamiento. Esto respalda la idea del estudio actual de realizar todos los procesos (calentamiento, fermentación y enfriamiento) en un solo contenedor para reducir el riesgo de contaminación. El sistema es compacto denominado 3 en 1 capaz de realizar todos los procesos requeridos (Calefacción, Fermentación y Enfriamiento) en un solo contenedor. Por lo tanto, hay menos posibilidades de contaminación durante la transferencia de leche calentada al recipiente de fermentación, lo cual es una práctica convencional. Además, la cámara está completamente cerrada para evitar contaminaciones extrañas. La segunda razón podría ser que las muestras del yogur procesado industrialmente se tomaron del producto envasado, teniendo posibilidades de contaminación durante el envasado. Por otro lado, en el presente estudio las muestras frescas se han tomado de la cámara de fermentación. Mientras que en el caso del mercado local, las altas posibilidades de contaminación son inevitables debido a instalaciones de almacenamiento y manipulación inadecuadas y deficientes.

La proporción de S. thermophilus a L. bulgaricus debe ser de 1:1 para obtener cualidades óptimas del yogur. En verdad, el primero se ocupa principalmente de la generación de acidez, mientras que el segundo se ocupa principalmente de la producción de componentes productores de sabor además de la acidez (ácidos grasos volátiles, ácido acético, acetaldehído, etanol, etc.). Además, para lograr el beneficio médico garantizado para los seres humanos, en la leche fermentada, la disponibilidad mínima de microbios probióticos debe ser de alrededor de 9 a 10 log ufc/ml51. La evaluación del cultivo de yogur (Tabla 4) reveló que las muestras sin marca (de tiendas locales y de yogur casero) contenían ambas especies comunes de yogur (S. thermophilus y L. bulgaricus) de bacterias generadoras de ácido láctico, pero se encontró que su recuento era inferior al rango aceptable. Sin embargo, ocasionalmente vemos crecimientos de S. thermophilus y L. bulgaricus, lo que indica condiciones incontroladas de desarrollo del cultivo. Además, el recuento general de cultivo de yogur en muestras de marca fue mayor que en muestras sin marca y se encontró en el rango aceptable informado por Ouwehand51. Por el contrario, las condiciones no controladas y la escasa viabilidad podrían ser una razón para recuentos más bajos en muestras de yogur sin marca. Se encontró que la proporción de S. thermophilus y L. bulgaricus en el yogur producido por una unidad solar de procesamiento de yogur era cercana a 1:1, y el recuento total del cultivo de yogur fue mayor que en las muestras sin marca debido al control adecuado de la temperatura durante la fermentación. pero menos que en las muestras procesadas de marca/empresa, como se muestra en la Tabla 4. Estos resultados respaldaron el diseño actual.

En comparación con la leche y el yogur procesados ​​con energía solar, sólo se evaluaron muestras de leche y yogur del mercado local para detectar adulteraciones. La Figura 4 muestra los resultados de la detección de adulterantes en leche y yogur del mercado local, así como en muestras de leche y yogur procesados ​​con energía solar. Los resultados mostraron que las muestras de leche y yogur del mercado local (leche/yogur de tiendas locales y leche/yogur de lecheros) estaban muy contaminadas con agua (70 y 95%), urea (50 y 70%), formalina (10 y 40%). y azúcar de caña (60 y 80%). Sólo se identificó en la leche una fracción diminuta de almidón (2%) en la leche y un 6% en muestras de yogur de tiendas locales, así como adulteración de H2O2 (2%), aceite (1%) y detergentes (1%). y muestras de yogur vendidas en el mercado local. Debido a que el yogur se fermentó a partir de la misma muestra de leche, los niveles de adulteración de la leche y del yogur de la leche suministrada por los lecheros son los mismos. Se confirmó que todas las muestras de leche y yogur procesados ​​con energía solar estaban libres de adulteración.

Adulteración de leche en leche de mercado local y leche procesada con energía solar.

La adulteración por parte de personas sin escrúpulos en la cadena de suministro de leche convencional está muy extendida y ha sido registrada por muchos autores, por lo que los hallazgos del estudio son consistentes con ellos11,12,16,23,52.

La viabilidad económica de una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar se determinó mediante la realización de un análisis económico integral en términos de generación de energía renovable de ambas fuentes, a saber, energía solar térmica que utiliza colectores de tubos solares de vacío para calentar la leche y un sistema fotovoltaico para enfriar el yogur y la leche. El costo total de la unidad de procesamiento de yogurt asistida por energía solar, incluidos todos los accesorios necesarios y los costos de instalación, fue de 2412 USD. La Tabla 5 enumera los datos que se pueden utilizar para la investigación económica.

Después de la inversión inicial, la estimación del costo individual y general por hora de todos los componentes económicos y los cálculos revelaron que se necesitaban 0,105 USD por hora para operar la unidad de procesamiento de yogur. El análisis del punto de equilibrio se realizó con base en los datos económicos disponibles para evaluar la duración de la recuperación en relación con otros recursos tradicionales. El punto de equilibrio para cada escenario se calcula comparando las horas de trabajo útiles con los gastos, como se muestra en la Fig. 5.

Análisis de equilibrio de la unidad procesadora de yogurt en contexto de ahorro de combustible.

Se proyectó que el período de recuperación de la inversión de la unidad de procesamiento de yogur sería de 3.499 (~ 1,3 años), 5.619 (~ 2,08 años) y 24.292 (~ 9 años) de horas de trabajo útiles si se utilizaran gasolina, diésel y electricidad para generar la misma energía. respectivamente, como se muestra en la Fig. 5. Después del período de recuperación, los ingresos totales generados durante la vida útil prevista de la unidad de procesamiento de yogur se estimaron en 27 196, 16 568 y 2 350 USD, respectivamente, según las fuentes de combustible de gasolina, diesel, y electricidad. El costo de procesamiento por litro de leche para la producción de yogur se calculó en 0,0189 USD utilizando tecnologías de energía solar, basándose en un lote de 50 litros procesado en 9 horas20,29, lo cual es significativamente menor que los costos de procesamiento estimados de los procesadores de leche, que son 0,2 USD por litro53.

Al carecer de las instalaciones de procesamiento y almacenamiento necesarias, un lechero de una zona rural de Pakistán vende leche a 0,42 dólares el litro. El lechero puede convertir la leche en un producto de valor añadido, el yogur batido, con la ayuda de una planta procesadora de yogur que funciona con energía solar. En Pakistán, el yogur batido envasado de marca cuesta 1,7 dólares el kilogramo. Si el precio del yogur elaborado con una máquina procesadora de yogur solar es de USD 0,7 por kilogramo (USD 1 por kg de yogur de marca barato). Es un precio amigable para el consumidor y para los lecheros es sencillo vender yogur batido a este precio. El costo total de un kilogramo de yogur envasado procesado con energía solar se estima sumando el precio de la leche cruda de 0,42 dólares por kilogramo, el costo de procesamiento de 0,0189 y el costo de envasado de 0,1 dólares por kilogramo, para un costo total de 0,54 dólares por kilogramo. kilogramo. Por lo tanto, un productor lechero rural puede ahorrar USD 0,16 por kg u USD 8 por día por 50 litros de procesamiento de yogur, y el período de recuperación se calculó en 533 días (1,78 años) dividiendo el costo total del sistema por los ahorros por día54 como se muestra en la figura 6.

Análisis de equilibrio para la unidad de procesamiento de yogurt en contexto con la ganancia del producto.

Básicamente, el sistema ha sido diseñado para atender a los pequeños y medianos productores de leche en sitios de producción que utilizan energía solar, lo que no es un caso de producción a escala industrial. El estudio actual justifica el tamaño del tanque de almacenamiento con 100 L de capacidad de agua para procesar 50 L de yogur o leche con 15 tubos de colector de tubos de vacío (ETC), que es un tamaño apropiado para una aplicación descentralizada. Sin embargo, el diseño se puede ampliar recalculando en consecuencia el tamaño del tanque de almacenamiento y del colector de tubo de vacío.

También se analizó la unidad de procesamiento de yogur para determinar el ahorro de emisiones de CO2 a lo largo de su ciclo de vida estimado de 40.500 h (15 años) en el contexto del calentamiento global y el cambio climático. En todas las estaciones, la unidad solar de procesamiento de yogur puede producir aproximadamente 2,66 kW de energía solar por hora para el procesamiento de leche y yogur en la granja. Con base en estos hallazgos, se anticipa que una máquina procesadora de yogur alimentada por energía solar puede generar alrededor de 107,73 MWh de energía de proceso útil a lo largo de su vida operativa. En la Fig. 7, se representan gráficamente los resultados de las emisiones de carbono versus la generación de energía con diversos recursos energéticos no renovables. Como se muestra en la Fig. 7, el uso de madera como fuente de combustible (@ 0,39 kg CO2/kWh) emitirá 42,015 toneladas de CO2, seguido del carbón (@ 0,34 kg CO2/kWh) 36,63 toneladas, el diésel (@ 0,27 kg CO2/kWh) ) 29,01 toneladas, queroseno (@ 0,26 kg CO2/kWh) 28,01 toneladas y gas natural (@ 0,20 kg CO2/kWh) 21,55 toneladas para la producción de energía equivalente para el procesamiento de leche/yogurt (107,73 MWh). Este estudio encontró que una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar es una posible solución ecológica para el procesamiento de leche/yogur que puede resolver con éxito los problemas del calentamiento global, particularmente en términos de reducción de emisiones de carbono.

Ahorro de emisiones de CO2 mediante unidad solar de procesamiento de yogur.

Los resultados muestran que la unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar proporcionó un producto orientado a la calidad en comparación con los métodos de procesamiento de yogur y manipulación de leche adoptados localmente. Además, la energía necesaria para estos procesos también se reduce gracias a la tecnología solar, que no sólo ayuda a reducir los costes operativos sino que también tiene un impacto positivo en el clima. La promoción de estas novedosas tecnologías de procesamiento de lácteos basadas en energía solar puede ayudar a reducir las pérdidas de leche cruda en su cadena de suministro y aumentar los medios de vida de la comunidad rural.

La leche y el yogur son dietas nutritivas naturales para personas de todas las edades y géneros; sin embargo, los hallazgos del estudio actual son sorprendentes y contradicen esta afirmación. Según los hallazgos del estudio, los consumidores reciben un líquido blanco acuoso de las empresas lácteas locales y de los lecheros que entregan la leche en sus casas. Un número considerable de las muestras analizadas tenían mal olor, un tono extraño, una textura fina, un valor nutritivo que se había depreciado significativamente y una amplia adulteración, especialmente por agua. Es razonable suponer que todos los integrantes de la cadena de valor de la leche contaminaron la leche de alguna manera, ya sea directa o indirectamente, pero muy deliberadamente. De manera similar, la empresa envasó muestras de leche y yogur procesados ​​que, si bien se encontró que estaban libres de adulteración, tenían valores nutritivos que tendían hacia el fondo de los rangos estándar porque casi todas las empresas procesadoras de leche y yogur desnataban parcialmente la leche en busca de subproductos antes de venderla. a los consumidores a un precio elevado.

En comparación con el mercado local y la leche procesada por la empresa, la leche cruda se puede procesar inmediatamente utilizando una unidad de procesamiento de yogur con energía solar instalada en el sitio, que mostró mejores resultados en todos los parámetros de calidad y aceptación del consumidor. Debido a que la leche pura y fresca se obtuvo inmediatamente de la granja lechera de la UAF, no hubo adulteración y las condiciones de higiene del 100 por ciento en la leche y el yogur procesados ​​​​por energía solar. En términos de energía, la investigación del punto de equilibrio reveló que una unidad solar de procesamiento de yogur puede amortizarse en 1,3 a 9 años, dependiendo del tipo de fuente no renovable empleada para una producción de energía similar. Sobre la base de los beneficios del producto, se proyectó que el período de recuperación sería de 1,78 años. El costo de procesar un litro de leche para la elaboración de yogur se calculó en 0,0189 dólares. La unidad de procesamiento de yogur basada en energía solar generará aproximadamente 107,73 MWh de electricidad con cero emisiones de carbono, lo que la convierte en una tecnología beneficiosa para el medio ambiente. En resumen, la unidad solar de procesamiento de yogur desarrollada proporciona una solución realista a los problemas de la cadena de valor de la leche local. Esta novedosa y descentralizada tecnología de procesamiento de leche y yogur basada en energía solar permite el procesamiento de leche de calidad en la granja bajo condiciones operativas controladas, lo que puede ayudar a aliviar los límites tecnológicos actuales para los productores de leche, así como las limitaciones de calidad para los clientes.

Los datos brutos que respaldan la conclusión de este artículo estarán disponibles por el primer autor y correspondiente, sin reservas indebidas.

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El autor agradece a la Comisión de Educación Superior (HEC) de Pakistán y al Servicio Alemán de Intercambio Académico (DAAD) por proporcionar los costos de subsistencia/investigación para el estudio actual. El autor también desea agradecer a la Universidad de Kassel, Alemania, por proporcionar fondos (APC) para la publicación del trabajo.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL. El costo de desarrollo y experimental de la investigación fue proporcionado por el Centro Internacional para el Desarrollo y el Trabajo Decente (ICDD) de Alemania.

Departamento de Ingeniería Agrícola y de Biosistemas, Universidad de Kassel, 37213, Witzenhausen, Alemania

Syed Nabeel Husnain, Faizan Majeed y Oliver Hensel

Departamento de Ingeniería de Sistemas Energéticos, Universidad de Agricultura, Faisalabad, 38000, Pakistán

Syed Nabeel Husnain, Anjum Munir y Waseem Amjad

Departamento de Ingeniería Agrícola, Universidad Bahauddin Zakariya, Multan, 60800, Pakistán

Faizan Majeed

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Conceptualización, SNH y OH; metodología, SNH, FM y WA; software, SNH, FM y WA; validación, SNH, WA y OH; análisis formal, SNH y WA; investigación, SNH, WA, AM; recursos, OH y AM; curación de datos, SNH y WA; redacción: preparación del borrador original, SNH; redacción: revisión y edición, SNH, WA, AM, FM y OH; visualización, SNH y WA; supervisión, OH y AM; administración de proyectos, AM y OH; adquisición de financiación, AM y OH Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Syed Nabeel Husnain o Anjum Munir.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Husnain, SN, Munir, A., Amjad, W. et al. Análisis comparativo de calidad y viabilidad económica de una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar para la cadena de valor láctea descentralizada. Representante científico 13, 6878 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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Recibido: 15 de julio de 2022

Aceptado: 22 de abril de 2023

Publicado: 27 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34032-y

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