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Circular economy approach for whey valorization: coacervation of proteins with carboxymethylcellulose for dairy small and medium-sized enterprises

dc.citation.titleACS Applied Polymer Materials
dc.creatorBaldor, Sofía
dc.creatorBriggiler, Ana
dc.creatorGómez, Ainara
dc.creatorBessone, Gerónimo
dc.creatorEnatarriaga Scull, Malena N.
dc.creatorTorres, Paola B.
dc.creatorNarambuena, Claudio F.
dc.creatorLópez, Débora Natalia
dc.creatorSpelzini, Darío
dc.creatorBoeris, Valeria
dc.date.accessioned2026-10-14T20:12:44Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractThe valorization of whey, the main by-product of cheese manufacture, is hindered for small and medium-sized dairy enterprises (SMEs) by the high cost of conventional separation technologies such as membrane filtration and chromatography. In this work, complex coacervation between whey proteins and carboxymethylcellulose (CMC) was scaled from 5 L to 100 L to develop a simple, lowcost process for recovering a protein- and lipid-enriched product. Five commercial CMC with molecular weights ranging from 18 to 780 kDa were first evaluated at laboratory scale. Intermediate-Mw CMC (400 kDa) provided the best balance between electrostatic complexation and sedimentation, removing 99% of the initial protein from the supernatant, as confirmed by residual protein quantification and turbidity. Using the selected CMC, the process was successfully scaled to 100 L in a conical-bottom tank with an off-centered 45° four-blade turbine. Geometric similarity (H/Dt = 2.0–2.5, Da/Dt = 0.26–0.33) was applied, achieving fully turbulent flow at both scales (Re = 3.56×10⁴ and 1.41×10⁵). Protein recovery reached 76%, with a 3.4-fold concentration of proteins and nearly complete fat recovery in the coacervate. The freeze-dried coacervate was readily redispersible up to 20% (w/v). Its ζ-potential shifted from nearzero at pH 3 to −40 mV above pH 6, reflecting the combined contribution of whey proteins and residual CMC. Thermal gelation of the coacervate (3.1% protein) was strongly pH-dependent: weak gels formed at acidic pH (G' = 6–23 Pa), while strong, cohesive gels developed at alkaline pH (G' = 325 Pa at pH 9). The lactose-rich supernatant showed reduced COD and BOD loads (12% and 28% reduction, respectively) and was successfully fermented by kefir grains without nutrient supplementation. This scalable, food-grade coacervation process offers an accessible alternative for dairy SMEs to transform whey from an environmental burden into a functional ingredient.
dc.description.filFil: Baldor, Sofía. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Baldor, Sofía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.filFil: Briggiler, Ana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Gómez, Ainara. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Bessone, Gerónimo. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Enatarriaga Scull, Malena N. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Torres, Paola B. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.filFil: Torres, Paola B. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional San Rafael; Argentina.
dc.description.filFil: Narambuena, Claudio F. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.filFil: Narambuena, Claudio F. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional San Rafael; Argentina.
dc.description.filFil: López, Débora Natalia. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: López, Débora Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.filFil: Spelzini, Darío. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Spelzini, Darío. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.filFil: Boeris, Valeria. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Área Fisicoquímica. Laboratorio de Investigación, Desarrollo y Evaluación de Alimentos (LIDEA); Argentina.
dc.description.filFil: Boeris, Valeria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET); Argentina.
dc.description.sponsorshipConsejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET): PIP 2022–2024 GI 11220210100490CO
dc.description.sponsorshipUniversidad Nacional de Rosario: 80020250300049UR
dc.description.sponsorshipAgencia Santafesina de Ciencia, Tecnología e Innovación: DTT-2022-025
dc.description.sponsorshipSecretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación, Ministerio de Producción, Ciencia y Tecnología
dc.format.extent1-40
dc.identifier.issn2637-6105
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/2133/34197
dc.language.isoen
dc.publisherAmerican Chemical Society
dc.relation.publisherversionhttps://pubs.acs.org/aapmcd/article-abstract/8/18/15995/5418585/Circular-Economy-Approach-for-Whey-Valorization?redirectedFrom=fulltext
dc.relation.publisherversionhttps://doi.org/10.1021/acsapm.6c01644
dc.rightsembargoedAccess
dc.rights.holderBaldor, Sofía
dc.rights.holderBriggiler, Ana
dc.rights.holderGómez, Ainara
dc.rights.holderBessone, Gerónimo
dc.rights.holderEnatarriaga Scull, Malena N.
dc.rights.holderTorres, Paola B.
dc.rights.holderNarambuena, Claudio F.
dc.rights.holderLópez, Débora Natalia
dc.rights.holderSpelzini, Darío
dc.rights.holderBoeris, Valeria
dc.rights.textAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectWhey valorization
dc.subjectComplex coacervation
dc.subjectCarboxymethylcellulose
dc.subjectScale‑ up
dc.subjectThermal gelation
dc.titleCircular economy approach for whey valorization: coacervation of proteins with carboxymethylcellulose for dairy small and medium-sized enterprises
dc.typearticulo
dc.type.collectionarticulo
dc.type.versionacceptedVersion

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