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

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

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Debido a la falta de instalaciones de procesamiento de leche en la granja, 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 esto, 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 %), proteína (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 yogur se encontraron estos atributos como grasa (5,5%), sólido magro (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 ausencia de detección de recuento de coliformes en el 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, el período de recuperación se calculó en 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 USD. Teniendo en cuenta el ahorro de emisiones de CO2, se prevé que una unidad de procesamiento de yogur con energía solar pueda generar 107,73 MWh de energía útil durante su vida útil 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 una gran cantidad de 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 le dan al yogur su sabor distintivo3. Hamdan et al.4 encontraron 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 el grueso de los productores pequeños agricultores (> 80%). Desafortunadamente, solo el 5% de esta leche se procesa, y el resto lo manejan lecheros que con frecuencia no son higiénicos y plantean importantes problemas de salud. Debido a la falta de instalaciones de procesamiento, se desperdicia entre el 15% y el 19% de la leche total producida en el país, mientras que el resto se maneja de manera incorrecta6. 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. La tabla 1 enumera los principales países productores de leche5 y yogur9.

Desafortunadamente, varios adulterantes químicos y microbiológicos degradan la calidad de la leche durante 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 están dominados principalmente por el sector privado informal, que consta de varios agentes, como productores, recolectores, intermediarios, procesadores, comerciantes y tiendas de productos lácteos, cada uno de los cuales desempeña un papel especializado. en un punto específico de la cadena de suministro15. Prácticamente, en todas las etapas del proceso de comercialización, casi no se realizan pruebas16. La mayoría de los negocios de leche en áreas urbanas están expuestos al polvo y los insectos, y solo unos pocos están equipados con refrigeración. Los contenedores de transporte son antihigiénicos y la adulteración de la leche es una preocupación importante en la cadena de suministro de leche periurbana. Sin embargo, debido a los clientes conscientes de los precios en el país, la demanda de leche cruda y sus productos, como el yogur, es mayor que la de leche procesada y sus productos17. Debido al consumo generalizado de leche y productos lácteos, estos productos básicos son posibles objetivos de adulteración, con ganancias financieras para productores sin escrúpulos18.

En Pakistán, se puede acceder a una cantidad muy inferior de yogur procesado (de marca), y el yogur se produce principalmente a pequeña escala (sin marca) por la población local (Gawalas) y se 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, las personas son cada vez más conscientes 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 los 8 °C20. Grigorov21 también recomendó la pasteurización de la leche a 85 °C durante 20 a 30 min para minimizar la sinéresis en el yogur en lugar de 90–95 °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 descubrió que el 83,4 % de la albúmina y la globulina totales se desnaturalizaban después de 30 min a 80 °C.

La contaminación microbiana (patógenos) puede ocurrir como resultado de condiciones de funcionamiento insalubres, lo que representa un riesgo importante para la salud de los consumidores. La demanda de los clientes por el sabor, la calidad, la estabilidad y la vida útil de la leche y el yogur, por otro lado, está aumentando. Como resultado, se requiere investigación básica en el campo de la evaluación de la calidad de la leche/yogur comercializados para aumentar la conciencia pública. 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, debido a la falta de instalaciones de procesamiento en la granja, los productores de leche se ven obligados 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 con frecuencia en condiciones antihigiénicas. La mano de obra, el alquiler del local y el combustible, que puede ir desde la quema de madera hasta la electricidad, están incluidos en los costos de producción. Por ejemplo, un tanque de enfriamiento de una 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 uso alimentario 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 enfriamiento y pasteurizadores para el procesamiento de lácteos en la granja se ve obstaculizada por los altos gastos operativos y de adquisición.

El uso de insumos de energía de combustibles fósiles para la 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 1200 millones de toneladas de CO2 cada año25. El uso generalizado de combustibles fósiles como fuente de energía primaria en el procesamiento de productos lácteos contribuye a la contaminación, lo que requiere una acción inmediata para hacer la transición del procesamiento de productos lácteos a fuentes de energía renovables26. Pakistán recibe mucha energía solar, 19 MJm−2 por 7,6 ha día, con una DNI de 5 a 7 kWh m−2 d−1 de media27. 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 de energía. Si bien más de 510 millones (27 %) aún no están conectados a la red eléctrica nacional, aquellos que están conectados 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, la necesidad del momento es desarrollar soluciones energéticas autosuficientes, viables y fuera de la red para las zonas rurales. 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 realizó un análisis de calidad del yogur y de la leche cruda para compararlo con la leche disponible localmente que se usa para hacer yogur en el hogar y en las tiendas locales. Además, también se ha realizado 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 posteriores al 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, Universidad de Agricultura Faisalabad (UAF) Pakistán ha desarrollado y fabricado un procesador de yogur completo 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 basada en energía solar diseñada para procesar la leche cruda y fermentarla en yogur en el sitio de producción de manera oportuna y controlada. Consiste en 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 de calentamiento (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 yogur asistida por energía solar20.

Brevemente, para explicar el procedimiento operativo, la Fig. 2 muestra el esquema de la unidad desarrollada para profundizar en la conectividad de los componentes. La unidad de elaboración de yogur se acopló a un acumulador de agua caliente de 100 L de capacidad que recibe calor de un colector solar de tubos de vacío (2,46 m2). Se instaló una bomba centrífuga (Wilo-SP106) para la circulación de solución de propilenglicol (50% en volumen) entre el acumulador de agua caliente y el colector de tubos 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 la velocidad máxima. Se instaló otra bomba de circulación de agua centrífuga 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 espiral cuadrada. para aumentar la temperatura de la leche hasta 80 °C. Debido a que el sistema es cerrado, se incluyó un vaso 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 del tubo de vacío y el agua en la parte inferior del tanque de almacenamiento de agua caliente supera 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 acumulador supera los 90 °C.

Diseño de configuración experimental de la 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 la tienda local, el yogur casero, el yogur de marca/procesado por la empresa y el yogur procesado con energía solar a fin de realizar una comparación exhaustiva de la calidad. Los protocolos experimentales incluyeron el calentamiento de las tres cantidades diferentes de leche cruda (50, 40 y 30 L) hasta 80 °C a la velocidad del agitador continuo de 36 rpm, lo que llevó entre 140 y 80 minutos, dependiendo de la cantidad a procesar. Después de eso, se hizo pasar 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, lo que se recomienda para la fermentación de la leche. El cultivo iniciador se inoculó (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 alcanzar 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 los 8 °C, lo cual es esencial para aumentar la vida útil al reducir las actividades bacterianas, lo que normalmente demoraba 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 dentro de la cámara de fermentación se midieron utilizando un controlador con sensores de temperatura basados en detectores de temperatura de resistencia (RTD). A medida que 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. Una descripción detallada de este proceso es reportada por Husnain et al.20.

El estudio utilizó un analizador ultrasónico de leche (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 de 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 recolectaron al mismo tiempo tres muestras de leche y yogur ya fermentado de cada tienda local seleccionada y lecheros en Faisalabad. Cada muestra de leche y yogur de marca produjo tres muestras aleatorias. Las muestras sin marca se recolectaron en viales desinfectados, mientras que las muestras con marca se mantuvieron en su empaque 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. Se estudió la viabilidad económica de la unidad solar de procesamiento de yogur utilizando el enfoque 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 ultrasónico de leche para comprobar 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 Alimentos (NIFSAT), Universidad de Agricultura 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 ultrasónico de leche, 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 de Harding33. El contenido de lactosa de la muestra de leche se investigó mediante la siguiente fórmula24:

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

Se utilizó el procedimiento descrito por Hassan et al.35 para separar las muestras de suero de leche de las de yogur. A 5 °C, se transfirieron progresivamente 25 ml de yogur fraguado a tubos de centrífuga de 50 ml, provocando una interrupción mínima del coágulo. Los tubos de centrífuga se pesaron y centrifugaron durante 20 min a 3394 RPM en una centrífuga eppendorf (5804 R) (fabricada en Alemania). En 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 ponderal del líquido sobrenadante (ml/100 g de yogur). La separación del suero fue proporcional al volumen del suero separado y viceversa.

El recuento viable total de S. thermophilus, L. bulgaricus y coliformes se determinó utilizando el método de recuento en placa estándar de Coppuccino y Sherman36. De acuerdo con Harrigan y McCance37, los medios selectivos utilizados para el 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 diversos parámetros mediante 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 significativo en la adopción exitosa de la tecnología desarrollada por parte de los productores y procesadores de leche. Como resultado, utilizando el método de línea recta, la unidad de procesamiento de yogur20 se evaluó económicamente con base en el período de recuperación y los ingresos generados durante la vida útil39. Los costos fijos incluyeron la inversión inicial, depreciación (Ec. 2), interés (Ec. 3), seguro (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 asumió que los productores de leche procesarían la leche utilizando tecnologías desarrolladas a nivel de finca.

El valor de rescate se fijó en el 10% de la inversión original y la vida proyectada se fijó en 15 años. La siguiente ecuación utilizada 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 punto de equilibrio. El punto de equilibrio, según Munir et al.40, es el tiempo que lleva igualar el costo total (fijo y operativo) y los ingresos (en términos de ahorro de combustible acumulativo y ganancias del producto), después de lo cual la máquina comienza a generar ingresos. en términos de ahorro de combustible. Debido a que las condiciones climáticas afectan las horas de trabajo útiles 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 de generación de energía basados en combustibles fósiles, también se realizó 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 a lo largo de 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 emplearon para generar la misma cantidad de energía. Quaschning41 publicó las emisiones de CO2 por kWh de generación de energía utilizando varios combustibles fósiles, que se utilizaron para calcular las emisiones de CO2 generadas por estos combustibles para la generación de energía equivalente.

El valor medio de 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 reportaron hallazgos similares42,43. La adición de hielo, agua o cualquier otro conservante químico para prolongar el carácter perecedero de la leche cruda pura podría ser la causa de los valores de pH más bajos en las muestras de leche del mercado24. La leche procesada con energía solar (6,87 + 0,0404) tuvo el mayor pH y estuvo más cerca del pH obligatorio ya que era pura y fresca, sin impurezas. El pH de todas las muestras de yogur de marca y procesado con energía solar, por otro lado, estaba por encima de 4, mientras que el pH de las muestras de yogur artesanal y de las tiendas locales era incluso inferior a 4, lo que provocaba un aumento de la acidez (Tabla 3). De hecho, la fermentación sin control 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 obligatorio, ya que era puro y fresco, sin contaminantes.

La leche comercializada localmente tuvo el rango de punto de congelación más amplio, con un rango de − 0,449 ± 0,00404 a − 0,463 ± 0,00115, como se muestra en la Tabla 2, seguida por la leche tratada por la empresa para fermentación de yogur (− 0,518 ± 0,00115) y la leche procesada con energía solar (− 0,532 ± 0.000577). La individualidad, las diferencias entre razas, 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 vincularse 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 añadida.

El rango de densidad más bajo se ha informado 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. 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, se determinaron para ser más consistente con el rango de densidad especificado de la leche de la Norma de 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 en tiendas de leche locales, lecheros y 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 se encontraban dentro de las condiciones de prueba del analizador de leche30.

Sobre la base de diferentes propiedades químicas, los resultados de la leche procesada y el yogur procesados con energía solar se comparan con las 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 entre 1,8833 y 2,547 % respectivamente y tuvo los valores más bajos de todas las demás fuentes examinadas, lo que indica que la leche de vaca y el yogur tenían los valores más bajos. porcentaje de grasa Estos resultados de disminución del porcentaje de grasa podrían deberse a la 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, los factores ambientales y la variabilidad genética33,47. La leche y el yogur procesados con energía solar, por otro lado, tuvieron los porcentajes de grasa más altos de 5,3 y 5,5 %, lo cual 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/yogur procesada con energía solar y procesada corporativamente era 8,68 % y 9,0833 % para la leche y 8,783 % y 8,683 % para el yogur, respectivamente, lo que se encuentra dentro del estándar recomendado de Pakistan Pure Food Rule 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 el mercado local de leche y yogur SNF (%) no cumplieron con el requisito mínimo legal (Cuadros 2, 3), pero fueron significativamente inferiores a la leche de vaca (8,50%). Estos hallazgos son congruentes con los hallazgos 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 puntos de congelación más altos.

Los fosfolípidos, cloruros, carbonatos y bicarbonatos de sodio, potasio, calcio y magnesio, entre otras sales, se encuentran en la leche. 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, los porcentajes de sal más bajos se encontraron en las tiendas locales y la leche vendida por los lecheros, 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 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 relacionaron la gravedad de la mastitis subclínica con una caída en la lactosa (%) en la leche de búfala pakistaní, pero la justificación 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 locales y los lecheros abastecidos de leche y yogur tenían un contenido total de sólidos 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, que era mucho más bajo que el valor promedio de la empresa. leche y yogur procesados (12,2 ± 0,24 % y 12,3 ± 0,24 %) y leche y yogur procesados solarmente (14,383 ± 0,0606 % y 14,183 ± 0,0722 %) y no cumplían 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 frente a los peligros para la salud y (2) garantizar que el material no sufra deterioro microbiano durante su vida útil esperada50. En realidad, ayuda a determinar hasta qué punto 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 un 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 una cantidad 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 de la etapa de procesamiento posterior. Por otro lado, el yogur producido por una unidad de procesamiento de yogur asistida por energía solar no tenía trazas 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 (Calentamiento, 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, que es una práctica convencional. Además, la cámara está completamente cerrada para evitar la contaminación externa. La segunda razón podría ser que las muestras de yogur de procesamiento industrial se tomaron del producto empacado que tiene la posibilidad de contaminación durante el empaque. Por otro lado, en el estudio actual, 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 las instalaciones de manejo y almacenamiento inadecuadas y deficientes.

La proporción de S. thermophilus a L. bulgaricus debe ser de 1:1 para obtener calidades óptimas de 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 9–10 log ufc/mL51. La evaluación del cultivo de yogur (Tabla 4) reveló que las muestras sin marca (tiendas locales y yogur casero) contenían las dos especies de yogur comunes (S. thermophilus y L. bulgaricus) de bacterias generadoras de ácido láctico, pero su recuento se encontró por debajo del rango aceptable. Sin embargo, ocasionalmente vemos brotes de S. thermophilus y L. bulgaricus, lo que indica condiciones descontroladas de desarrollo del cultivo. Además, el recuento total de cultivos de yogur en las muestras con marca fue mayor que en las muestras sin marca y se encontró en el rango aceptable informado por Ouwehand51. Por el contrario, las condiciones no controladas y la escasa viabilidad pueden ser la razón de los recuentos más bajos en las muestras de yogur sin marca. Se encontró que la proporción de S. thermophilus y L. bulgaricus en el yogur producido por una unidad de procesamiento de yogur solar 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, solo 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 la leche y el yogur del mercado local, así como muestras de leche y yogur procesadas con energía solar. Los resultados mostraron que las muestras de leche y yogur del mercado local (tiendas locales de leche/yogur 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%). Solo se identificó en la leche una fracción diminuta de almidón (2 %) en leche y 6 % en muestras de yogur de tiendas locales, así como adulteración de H2O2 (2 %), aceite (1 %) y detergentes (1 %). y muestras de yogur que se venden en el mercado local. Debido a que el yogur se fermentó a partir de la misma leche de muestra, los niveles de adulteración de la leche y el 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 exhaustivo en términos de generación de energía renovable de ambas fuentes, a saber, energía solar térmica utilizando colectores de tubos solares de vacío para calentar leche y un sistema fotovoltaico para enfriar yogur/leche. El costo total de la unidad de procesamiento de yogur con ayuda de Solar, incluidos todos los accesorios necesarios y las tarifas 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 y cálculos económicos reveló 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 del payback en relación con otros recursos tradicionales. El punto de equilibrio para cada escenario se calcula graficando las horas útiles de trabajo contra los gastos, como se muestra en la Fig. 5.

Análisis de punto de equilibrio para la unidad de procesamiento de yogur en contexto con el ahorro de combustible.

Se proyectó que el período de recuperación de la unidad de procesamiento de yogur sería de 3499 (~ 1,3 años), 5619 (~ 2,08 años) y 24 292 (~ 9 años) horas de trabajo útiles si se utilizara gasolina, diésel y electricidad para la misma generación de energía. respectivamente, como se muestra en la Fig. 5. Después del período de recuperación, el ingreso total generado durante la vida útil prevista de la unidad de procesamiento de yogur se estimó en 27 196, 16 568 y 2350 USD, respectivamente, según las fuentes de combustible de gasolina, diésel, 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, con base en un lote de 50 L procesado en 9 horas20,29, que 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 en una zona rural de Pakistán vende leche a USD 0,42 por litro. El lechero puede convertir la leche en un producto de valor agregado, yogur batido, con la ayuda de una planta de procesamiento de yogur con energía solar. En Pakistán, el yogur batido empaquetado de marca cuesta USD 1,7 por kilogramo. Si el precio del yogur elaborado con una máquina de procesamiento de yogur solar es de 0,7 USD por kilogramo (1 USD por kg de yogur de marca barato). Es un precio amigable para el consumidor, y es sencillo para los lecheros 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 USD 0,42 por kilogramo, el costo de procesamiento de 0,0189 y el costo de empaque de USD 0,1 por kilogramo, para un costo total de USD 0,54 por kilogramo. kilogramo. Por lo tanto, un productor lechero rural puede ahorrar USD 0,16 por kg u USD 8 por día para el procesamiento de 50 L de yogur, y el período de recuperación se calculó como 533 días (1,78 años) al dividir el costo total del sistema por los ahorros por día54 como se muestra en la Fig. 6.

Análisis de punto de equilibrio para la unidad de procesamiento de yogur en contexto con la utilidad del producto.

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

La unidad de procesamiento de yogur también se analizó para 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 de procesamiento de yogur solar puede producir aproximadamente 2,66 kW de energía solar por hora para el procesamiento de leche/yogur en la granja. Con base en estos hallazgos, se anticipa que una máquina de procesamiento de yogur con energía solar puede generar alrededor de 107,73 MWh de energía de proceso útil a lo largo de su vida útil. En la Fig. 7 se representan gráficamente los resultados de las emisiones de carbono frente a la generación de energía con varios 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, diesel (@ 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 de producción de energía equivalente para el procesamiento de leche/yogur (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 por unidad solar de elaboración 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 manipulación de leche y procesamiento de yogur adoptados localmente. Además, la energía requerida para estos procesos también se reduce debido a la tecnología solar que no solo ayuda a reducir los costos operativos sino que también tiene un impacto positivo en el clima. La promoción de estas tecnologías novedosas 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 subsistencia 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. De acuerdo con los hallazgos del estudio, los negocios locales de leche y los lecheros les dan a los consumidores un líquido acuoso blanco que les lleva la leche a sus casas. Un número considerable de las muestras analizadas tenían mal olor, un tono extraño, una textura delgada, un valor nutritivo que se había depreciado significativamente y una adulteración extensa, particularmente por el agua. Es razonable asumir que todos en la cadena de valor de la leche contaminaron la leche de alguna manera, ya sea directa o indirectamente, pero de manera muy deliberada. De manera similar, la empresa empacó muestras de leche y yogur procesados que, si bien se encontró que no estaban adulterados, tenían valores nutritivos que tendían hacia la parte inferior de los rangos estándar porque casi todas las empresas de procesamiento de leche y yogur desnataron 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 de inmediato 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 UAF, no hubo adulteración y 100 por ciento de condiciones de higiene en la leche y el yogur procesados con energía solar. En términos de energía, la investigación del punto de equilibrio reveló que una unidad de procesamiento de yogur solar puede recuperarse en 1,3 a 9 años, según el tipo de fuente no renovable empleada para una producción de energía similar. Sobre la base de la utilidad del producto, se proyectó que el período de recuperación sería de 1,78 años. El costo de procesar un litro de leche para la fabricación de yogur se calculó en 0,0189 USD. La unidad de procesamiento de yogur a base de 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 de procesamiento de yogur solar desarrollada proporciona una solución realista a los problemas de la cadena de valor de la leche local. Esta nueva 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 en bruto que respaldan la conclusión de este artículo serán puestos a disposición por el primer autor 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 presente estudio. 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 experimentación 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

Faizán 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 fondos, AM y OH Todos los autores han leído y están de acuerdo con 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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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 15 julio 2022

Aceptado: 22 de abril de 2023

Publicado: 27 abril 2023

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

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