Microbiologia, Tratamiento Termico Gerber

Capítulo 1

MICROBIOLOGIA DE ALIMENTOS

I.

Introducción

A. Hechos históricos

A partir del descubrimiento de los microorganismos y de su participación como causa de enfermedad (finales del siglo XIX), se establecieron las bases para la generación de principios científicos que permitirían prevenir la contaminación, impedir la proliferación, inactivar de manera segura los agentes patógenos microbianos en los alimentos y desarrollar técnicas que permitan su detección.

B. Importancia

La microbiología sanitaria del agua y los alimentos es una de las muchas especialidades en las que se desenvuelve la microbiología, de ahí que para ejercerla se requiere poseer conocimientos básicos de la microbiología.

Tres razones fundamentales justifican el estudio de los microorganismos en los alimentos: son causa de su deterioro, pueden provocar enfermedad en la población y son utilizados para obtener variedades de alimentos.

En años recientes se presenta un cambio muy marcado en la lista de agentes patógenos microbianos asociados al consumo de alimentos. Estos incluyen bacterias, virus y parásitos, de todos los cuales se dispone de registro de brotes. Entre los factores que propician esta nueva situación hay que considerar cambios genéticos que afectan la virulencia, adaptación de los microorganismos y resistencia a los agentes antimicrobianos, cambios en los hábitos de alimentación en muchas comunidades y países, cambios en los sistemas de producción y distribución de los alimentos, incremento en la población de los individuos hipersensibles, e incluso mejores técnicas de laboratorio para detectar a esos microorganismos y poner de manifiesto sus atributos de patogenicidad.

II.

Microorganismos de Interés

Los microorganismos de interés incluyen de manera convencional, bacterias, hongos, levaduras, protozoarios, virus, parásitos microscópicos y ciertas algas microscópicas. Los microorganismos tienen acceso a los alimentos a través de una diversidad de fuentes y mecanismos. En ellos, pueden simplemente sobrevivir sin dar lugar a modificaciones aparentes en sus características sensoriales. Eventualmente, cambios adversos subletales de la acidez, una alta o baja temperatura, la desecación y otros, afectan su capacidad para proliferar en el alimento. Una vez que las condiciones se tornan favorables (por ejemplo, rehidratar leche en polvo, descongelar pescado), es posible, si los factores ecológicos son propicios, la multiplicación microbiana. Las consecuencias pueden ser el deterioro progresivo del alimento o un incremento en el riesgo a la salud consecutivo a su consumo.

A.

Características Relevantes

Para comprender todos los eventos que son capaces de generar los microorganismos, es necesario considerar todas aquellas cualidades propias de los seres vivos.

Dimensiones Heterogeneidad Ubicuidad Resistencia Dinamicidad Potencial metabólico Patogenicidad Adaptabilidad Plasticidad genética

Cualidades que adquieren un significado singular en la microbiología de los alimentos.

B. Tipos de Microorganismos

Nuestro interés reside en aquellos microorganismos con importancia en la industria de alimentos. La agrupación en la siguiente descripción es del todo convencional.

a.

BACTERIAS

Las bacterias (bacilos) gram negativas por su capacidad patógena y deterioradora, tienen una importancia primordial. Se les agrupa primariamente como fermentadores y no fermentadores.

En el grupo de las bacterias gram positivas se encuentran cocos y bacilos; estos últimos pueden o no ser esporulados.

Bacilos esporulados

Bacterias con muy amplia distribución en la naturaleza a esté grupo pertenecen géneros tanto aerobios con algunas especies anaerobias facultativas (Bacillus), anaerobios

(Clostridium)con especies patógenas, toxigénicas, transmisibles por los alimentos. Es notable la termorresistencia de las esporas de algunas especies y cepas. Tienen papel destacado como deterioradores de alimentos especialmente asociados a su potencial fermentativo y putrefactivo. Incluyen especies psicrótrofas, mesófilas y termófilas. Algunos Bacillus muestran capacidad acidúrica y desarrollan a pH cercanos a 3.8.

Bacilos no esporulados

Se pueden formar dos grupos, el de las bacterias lácticas, catalasa negativos y otro que es catalasa positivo (Staphylococcus, Micrococcus).

b.

Hongos

Se encuentran extensamente distribuidos en la naturaleza. Algunos hongos durante su desarrollo forman estructuras que les confieren especial resistencia contra los efectos de agentes físicos del medio (desecación y alta temperatura). Sus requerimientos nutricionales son mínimos, con límites de temperatura para su desarrollo de -6 a >70°. Pueden crecer en ambientes con actividad de agua de hasta 0.64. Algunos hongos son termodúricos, sus esporas muestran una menor termorresistencia que las bacterias, la mayoría son aeróbicos aunque pocos pueden tolerar bajos niveles de oxígeno. Su importancia en la microbiología de alimentos consiste en la capacidad de algunas especies para formar en los alimentos toxinas poderosas (micotoxinas), su empleo en la maduración de algunos productos y ser causa de alteraciones y descomposición de los alimentos. Existen cepas productoras de antibióticos.

c.

Levaduras

Organismos que pueden crecer tanto en presencia como ausencia de oxigeno, toleran condiciones de acidez (aunque menos que los hongos) crecen bien a pH entre 4.0 y 4.5. su actividad mínima de agua es de 0.88, prefieren ambientes con alta concentración de sal o azúcar lo que las califica como osmofilicas y finalmente no exhiben resistencia a las altas temperaturas.

III.

Microbiología en la Industria de Alimentos

A. Preservación de Alimentos

Los intentos por preservar los alimentos contra el deterioro de alguna manera se han aplicado desde hace miles de años. Generalmente los alimentos no se consumen tan pronto son recogidos de sus fuentes naturales. El proceso deteriorativo se acentúa en función del tiempo transcurrido entre ambas acciones. Con diferente intensidad el problema se extiende a casi todos los alimentos: naturales, preparados, o procesados listos para consumirse.

Aunque las causas del deterioro pueden ser físicas o puramente químicas, la derivada de la actividad microbiana es notoriamente la más prominente. La vulnerabilidad al deterioro varía según la composición del alimento.

Las repercusiones de la deficiente preservación de los alimentos no se limitan al deterioro o pérdida de la frescura, si bien estas son las que provocan una impresión mayor en los industriales y los consumidores mismos. Las consecuencias pueden manifestarse en la inocuidad, toda vez que la actividad microbiana se ve favorecida entre los microorganismos patógenos con potencial para proliferar en el alimento, o de la generación de toxinas. La selección de las técnicas de conservación en consecuencia, deberán considerar la restricción de ambos tipos de microorganismos, deterioradores y patógenos.

La intervención a través de diversas tecnologías en la preservación de los alimentos, se apoya en dos efectos primarios sobre los microorganismos: un retardo sobre su desarrollo (inhibición) o su destrucción. La diferencia en ocasiones es sólo cuestión de intensidad del tratamiento. Por otra parte, su eficacia suele variar con el tipo y abundancia de las poblaciones microbianas presentes y el alimento.

La preservación de los alimentos a base de temperaturas elevadas es una forma muy segura, tanto por el efecto letal implicado, como por el control, que puede ejercerse sobre el proceso. Ese control permite aplicarlo de manera radical hasta conseguir una

esterilidad microbiológica, o tratamientos moderados que eviten cambios indeseables

en las características sensoriales o nutritivas de los alimentos.

En la preservación de los alimentos mediante el calor, algunos reciben el tratamiento una vez envasados. El control de la estabilidad del producto se apoya entonces en un tratamiento efectivo y la hermeticidad del recipiente Esta situación ocurre típicamente en los alimentos enlatados. Otras veces el alimento se esteriliza y así es envasado en un recipiente estéril. La operación resulta crítica para la estabilidad del producto. En este grupo se encuentran la leche ultrapasteurizada.

El concepto de alimento enlatado puede entenderse como aquel que se preserva mediante el calor en un recipiente herméticamente cerrado. Ambas condiciones son el principio de la autoconservación del producto.

La base del procesamiento es la aplicación de un tratamiento térmico calculado con precisión para darle estabilidad e inocuidad a un producto específico, y una mínima afectación negativa de sus características sensoriales. El interés de estos objetivos consiste en la eliminación de los microorganismos patógenos y de aquellos que son capaces de proliferar en el producto durante su distribución, almacenamiento y comercialización. Es evidente que tal condición (calificada de comercialmente estéril), resulta compatible en un producto que contiene microorganismos viables pero sin

Por mucho tiempo se utilizó el llamado punto térmico mortal para medir la resistencia relativa al calor de los microorganismos. Una suspensión de este era calentada y periódicamente se transfería una asada de la suspensión a un caldo de cultivo apropiado y se incubaba. Se registraba el tubo en el cual ya no se observaba desarrollo, y se definía la temperatura correspondiente como el punto térmico mortal. Pronto resultó evidente la inconsistencia de tal medición, pues era difícilmente reproducible debido a la diversidad de factores involucrados, y que se encontraban fuera de control. El más significativo era que el tiempo requerido para la inactivación total de todas las células presentes era dependiente no sólo de la temperatura, sino de la concentración de microorganismos en la suspención de prueba. Una sola célula sobreviviente en la asada transferida al caldo conducía a la lectura final positiva del ensayo.

En el enfoque moderno, el cálculo del tratamiento para destruir una cierta población bacteriana se funda en la premisa de que la destrucción de un cultivo puro por efecto del calor húmedo a una temperatura constante sigue una cinética exponencial negativa: a intervalos iguales ocurre una reducción de la misma magnitud en el número de bacterias. Así la tasa de inactivación resulta inversamente proporcional al tiempo en que ocurre la reducción.

El valor D (tiempo de reducción decimal) de un microorganismo se define como el tiempo necesario para que a una temperatura determinada, se reduzca 90% su población en el material tratado. Es una expresión de la resistencia de un microorganismo al efecto de la temperatura. Se calcula mediante la fórmula de Stumbo:

Dn= t / log a-log b,

Donde n es la temperatura del proceso,

t el tiempo durante el cual se aplica esa temperatura, a número inicial de microorganismos,

b número final de microorganismos

Típicamente las gráficas de sobrevivencia de los microorganismos al calor aparecen como líneas rectas. En ocasiones el trazo es distinto y aparecen líneas cóncavas o convexas en el extremo de la recta. Se cree que estos trazos están determinados por una distribución no uniforme de células individuales con distinta termorresistencia; la gráfica representaría el comportamiento de poblaciones diferentes en ese carácter, dentro del mismo cultivo (Moatz, 1972). En el caso de las esporas eventualmente se aprecia un ligero incremento en el recuento de sobrevivientes. Es posible que el tratamiento térmico provoque cambios conformacionales en los inhibidores intrínsecos de la germinación, o que el calor induzca a la espora a captar agua osmóticamente como resultado del incremento de la solubilidad de compuestos como el dipicolinato de calcio en el centro de la espora y el incremento de humedad desencadene la germinación (Mossel y col., 1995)

Valor D100 (min.) de algunas esporas de bacterias De interés en los alimentos

Bacteria Valor D100 B. stearothermophilus 100-1600 D. nigrificans >480 C. thermosaccharolyticum 400 B. coagulans 20-300 B. cereus 3-200 C. sporogenes 80-100 C. botulinum A y B proteolítico 7-30 C. perfringens 0.3-18 B. thermoacidurans 2-3 C. botulinum E 0.01

La estimación del valor D varía con las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la determinación. Incluso el medio de cultivo o substrato utilizado en el recuento de los microorganismos sometidos al calentamiento puede modificar los valores finales.

Valores D reportados para algunas bacterias patógenas en alimentos seleccionados

Bacteria Valor D Temperatura Alimento

Aeromonas hydrophila 0.14-0.19 2° carne de res

Campylobacter jejuni 0.19 0-5° pavo molido

Escherichia coli O157:H7 0.27 5° carne molida

Listeria monocytogenes 0.77 2-4° pollo

Salmonella 0.38-0.77 2° carne de pollo

Staphylococcus aureus 0.36 0° carne de pollo

Clostridium botulinum (esporas) 3.56 -30° pollo

Pueden obtenerse diferentes valores D para un microorganismo dado, o para un proceso particular de un alimento, determinando los sobrevivientes a diferentes temperaturas. Si en el eje vertical se grafican los valores D obtenidos y los tiempos correspondientes para cada temperatura en la escala decimal horizontal (papel semilog), se obtiene una recta conocida como línea de tiempo de muerte térmica. La recíproca de la pendiente de la recta de muerte térmica se conoce como valor Z . Representa el incremento de temperatura que permitirá reducir diez veces el tiempo de muerte térmica. Este valor varia considerablemente entre los microorganismos. Es una expresión de la resistencia de un microorganismo a diferentes temperaturas.

Las curvas de resistencia térmica y los valores Z y D son esenciales en la industria para establecer las condiciones de procesamiento de un alimento y para conocer la resistencia relativa de diferentes microorganismos sobre una base númerica.

El valor F es el tiempo necesario en minutos a una temperatura especifica (Tref) referido a

un recipiente para propósitos de esterilización. Representa una medida de la capacidad de un proceso térmico para reducir el número de esporas o células vegetativas de un organismo por recipiente.

La mayoría de las esporas bacterianas no germinan en jugos de frutas con valores de pH inferiores a 4.0 (Blocher and Busta, 1983). Ocasionalmente sin embargo, ciertos microorganismos esporulados participan en el deterioro de productos con pH de 3.7 o menor, tales como verduras (Splittstoesser y Churey, 1989) y duraznos o peras (Vaughn y col., 1952). La prevención de estos incidentes se enfoca primariamente a acciones de sanidad y selección de materias primas, menos que a una intensificación de los tratamientos térmicos.

Algunas esporas bacterianas se caracterizan por su acentuada resistencia al calor, que contrasta con la susceptibilidad de aquellas que se sitúan en el otro extremo. Por ejemplo, el tiempo requerido para disminuir el 90% de la población de las esporas con mayor termorresistencia de B. stearothermophilus mediante calentamiento a 100°, es de 10,000 veces más minutos, que el requerido por las esporas de C. botulinum E. Notablemente la termorresistencia de las esporas del tipo E de C. botulinum es mucho menor que la de los tipos A y B.

La destrucción de los microorganismos por el calor se encuentra afectada por una diversidad de factores, incluida la Aa el pH, la presencia de materia orgánica y el Eh. Por ejemplo la tasa de inactivación de las esporas de C. botulinum es pH dependiente. Conforme su magnitud disminuye, la severidad del tratamiento térmico necesario es menor. Mientras para esterilizar maíz (pH 6.45) se requieren 465 min. A 95° o 30 min. a 110°, las peras (pH 3.75) deben tratarse sólo por 75 min. a 95° o por 10 min. a 110°. También se ha observado que el incremento del contenido de grasa disminuye la concentración de agua, lo cual afecta la transferencia de calor. Un calentamiento a 60° por 2-3 min. destruye al menos 5 log10 la concentración de E. coli O157:H7 en carne de

res, puerco, pavo y pollo.

Valor D de esporas de C. botulinum, según pH

pH D (min.) 4.0 0.128 4.2 0.143 4.4 0.163 4.6 0.223 4.8 0.226 5.0 0.260 6.0 0.491 7.0 0.515

En los alimentos de baja acidez, es crucial asegurar la destrucción de C. botulinum pero el carácter logarítmico de la muerte bacteriana por el calor excluye el cálculo para 0 células sobrevivientes. Cuando la población se ha reducido a una célula por g o mL (log10=0), la sobrevivencia en el siguiente ciclo es de 1 célula/10 g o mL, en el siguiente

de 1/100 g o mL, etc. De manera arbitraria pero razonable, se introduce el concepto de valor 12-D, es decir, condiciones de tratamiento térmico que reduzcan una población de 1 01 2 a 100 esporas/g o mL. El margen de seguridad resultante es muy amplio; ese número inicial de esporas no existe en un alimento ya que virtualmente satura una masa o volumen de 1 g o 1 mL.

Las esporas de los hongos son menos resistentes al calor que las bacterianas; la diferencia también se advierte entre los tipos de esporas de los hongos. Las ascosporas muestran mayor termorresistencia que las conidias: las conidias de Aspergillus son destruidas a 60° en 10 min.en tanto que las ascosporas de Eurotium chevaleri siguen viables después de 10 min. a 80° (Pitt y Christian, 1970). Xeromyces bisporus produce ascosporas con suficiente termorresistencia para sobrevivir el proceso de horneado de pasteles (con Aa de 0.75-0.76) y eventualmente causar deterioro (Hocking, 1988).

Capítulo 2.

Conceptos Básicos en el Procesamiento Térmico de Alimentos Envasados

I. Determinación de los Procesos Térmicos

A. Introducción e Historia

El desarrollo de la Industria Enlatadora, es más un arte que una ciencia, las primeras investigaciones datan del siglo XIX. Nicolas Appert, un cocinero Francés fue galardonado con un premio en 1809 por el gobierno Francés por haber desarrollado, un nuevo procedimiento para conservar los alimentos, un método que eventualmente fue conocido como enlatado. En 1810 Appert publicó el primer libro sobre enlatado —L´Art De Conserver“, y en 1811 fue traducido al inglés y publicado en Inglaterra. Las publicaciones de Appert describen el procedimiento de enlatado de más de 50 alimentos. (Jackson,1979)

Appert encontró un nuevo procedimiento efectivo para conservar alimentos, pero él nunca entendió porque los alimentos se conservaban. Esto correspondió al genio Luis Pasteur, otro Francés quien en 1864, descubrió la relación entre las técnicas de esterilización sobre bases científicas y fijó las bases sobre las investigaciones de los métodos de esterilización que eventualmente revolucionaron a la industria. (López, 1987)

Peter Durand, en Inglaterra, registró una patente en 1810, —Método de conservación de alimentos de origen animal, vegetal o otros artículos de productos perecederos“.

El enlatado fue iniciado en América por William Underwood en Boston en 1819. Frutas, pepinillos y condimentos fueron empacados en botes. Otro desarrolló importante en los Estados Unidos durante el siglo XIX fue la introducción de un baño de cloruro de calcio por Solomon en 1860 para obtener temperaturas más altas para cocinar los productos enlatados que con un baño de agua hirviendo. (Jackson,1979)

En 1890, Prescott y Underwood quienes trabajaban en la Enlatadora Maine, establecieron la relación entre las bacterias termófilas y el daño sobre maíz enlatado. Trabajando independientemente durante esa misma época, Rusell en Wisconsin y Barlow en Illinois descubrieron las causas del mismo tipo de daño en peras enlatadas. En los años de 1910 y 1920 las características biológicas y toxicológicas del Clostridium

botulinum fueron determinadas por algunos investigadores americanos. La importancia

de controlar el Cl. botulinum en los alimentos enlatados empezó a ser un control claro y básico. A principios de 1920 en los E.U. Bigelow y Esty establecieron la relación entre el pH de los alimentos y la resistencia térmica de esporas bacterianas, incluyendo las causas del daño. Su trabajo sirvió para clasificar los alimentos enlatados en alimentos ácidos y alimentos poco ácidos sobre la base de su pH. (López, 1987)

En 1918 Weinzirl estableció el concepto de la esterilidad comercial en productos alimenticios enlatados, —No son estériles, pero el alimento no contiene ningún microorganismo causante de algún daño para la salud“.

En 1920 Bigelow y Ball desarrollaron el primer método científico para calcular el valor mínimo de esterilización para un alimento enlatado esterilizado. Esto se conoció como un método gráfico. El Dr. Ball continuó su trabajo en la misma área de los laboratorios de la Asociación Enlatadora Nacional y en 1923 formuló un método matemático para la determinación de los procesos de esterilización. En 1939 Olson desarrolló un método nomográfico para la determinación de los procesos.

Stumbo y Hicks en 1948, desarrollaron los procedimientos para calcular los procesos de esterilización basados sobre valores integrados de letalidad en el volumen de los contenidos del recipiente utilizando una microflora mezclada.

En 1957 Ball y Olson publicaron un nuevo libro clásico de procesamiento térmico el cual combina las investigaciones de Stumbo y de otros autores. Quince años después Hayakawa desarrolló un avanzado método matemático el cual elimina relativamente los pequeños errores inherentes a los procedimientos matemáticos desarrollados previamente.

En los últimos 15 años , Ball, Stumbo, Hayakawa, Teixeria, Zahradnik, Flambert, Griffin, Mason, Pflug y otros autores han mejorado la determinación matemática de los procesos térmicos así como los conceptos y sus aplicaciones. (López,1987)

Los trabajos de los autores previamente mencionados se han apoyado en el uso de las computadoras para ser más precisos y rápidos. Estos desarrollos han hecho posible un control preciso de los procesos térmicos para lograr la esterilización comercial, y el desarrollo del aseguramiento de los procedimientos y regulaciones gubernamentales más allá de asegurar la seguridad de los procesos. El método gráfico o de Bigelow y Ball y el método original de la fórmula de Ball, con algunas limitaciones y con modificaciones, son todavía los procedimientos básicos usados para los cálculos de los procesos de esterilización en la industria enlatadora de alimentos.

B. Sistemas de esterilización desarrollados

Los principios de Appert fueron la inmersión en agua hirviendo en recipientes sellados conteniendo el alimento para conservarlo. No hubo un cambio en este método hasta Solomon, en 1860, añadió cloruro de calcio en el agua en las cuales las latas eran procesadas, obteniendo como resultado un aumento de las temperaturas de proceso. Con ello se redujeron los casos muy serios de daño en productos poco ácidos, como vegetales y carnes que eran procesadas con agua hirviendo. Esto trajo como resultado una mejor calidad en los productos.

En 1851, Chevalier-Appert aplicaron el principio de presión a latas procesadas y así fue inventada la retorta. En 1874 Shriver introdujo el autoclave en los E.U. Este hecho hizo posible la aplicación de más métodos para productos enlatados con más altas temperaturas. A principios de los años de 1950 la FMC Corporation introdujo un autoclave de agitación continúa con sistema de enfriamiento.

Otro importante logro en la historia de los alimentos enlatados es el desarrollo de los procesos de enlatado asépticos. Algunos intentos fueron hechos esterilizando asépticamente productos lácteos enlatados en 1948, y usando altas temperaturas cortos tiempos (HTST) en procesos de esterilización. Estos intentos no fueron exitosos hasta que Martin, trabajando para Dole Engineering Company, desarrolló equipo para la esterilización de latas y selladoras y un llenador aséptico de producto dentro de la lata usando vapor sobrecalentado. Otro resultado importante en los sistemas de enlatado aséptico fue el desarrollo en 1960 de los sistemas de ingeniería y contenedores de llenado aséptico.

A principios de 1960 la firma Treta Pak introdujo el procesamiento aséptico comercial y el sistema de empaquetamiento conocido con el nombre de la firma. (López, 1987)

C. Objetivos de la Esterilización-Cocción

La esterilización persigue la estabilidad del alimento, no su esterilidad absoluta, la cual no es necesario ni procedente conseguir en la industria conservera, no sólo por razones económicas, sino también por la excesiva degradación que experimentaría la calidad sensorial del producto. De ahí que se utilice el concepto de esterilización comercial para indicar el tratamiento térmico que recibe un alimento envasado para destruir todos los gérmenes patógenos que pueden desarrollarse en las condiciones normales de almacenamiento y transporte; pudiendo quedar en condiciones de supervivencia algunos microorganismos que no alteren el producto ni sean causa de riesgo para el consumidor.

(Rodrigo y col., 1980)

D. El desarrollo de nuevas tendencias alimentarias

Las crecientes exigencias legislativas y del consumidor sobre el valor nutritivo, ausencia de conservadores, etc., requieren la investigación de la cinética de los fenómenos de degradación de componentes sensoriales y nutritivos, con el fin de conocer su termolabilidad y poder obtener la mejor calidad. Los costos energéticos, cada vez más elevados, obligan a cuidadosos análisis de los procesos, con el fin de seleccionar el más económico y disminuir las pérdidas innecesarias. (Rodrigo y col, 1980)

Con el desarrollo de nuevas tendencias alimentarias (nuevos productos, platos preparados, comidas para colectividades, etc.), la mejora de la calidad de vida (mayores exigencias por parte del consumidor en cuanto a la calidad, ausencia de aditivos, etc.), la puesta a punto de nuevos sistemas y equipos de esterilización, la disponibilidad de nuevos tipos de envase y la creciente necesidad del ahorro energético, son los factores más destacados que obligan a los nuevos planteamientos en la industria conservera, fundamentalmente en cuanto a las técnicas de esterilización aplicadas, dado que los baremos de esterilización convencionales disponibles en la actualidad son escasamente útiles para satisfacer las nuevas exigencias de esta industria. (Rodrigo y col, 1980)

E. La utilización de nuevos sistemas y equipos de esterilización

El conocimiento de los distintos sistemas de esterilización así como de los equipos que existen en el mercado, fundamentalmente en lo que respecta a su versatilidad, facilidad de manipulación, mantenimiento, consumo energético y otros aspectos (volumen, precio, rendimiento, etc.) permitirán al técnico y al industrial disponer de la información suficiente para realizar la elección más adecuada para satisfacer sus necesidades.

En la actualidad y aunque completamente obsoletos, es aún muy frecuente en nuestro país la utilización del autoclave estático para conservas; sin embargo, en países con tecnología avanzada se usan normalmente los sistemas continuos y/o rotatorios, discontinuos rotatorios y los de envasado aséptico.

La industria de alimentos está utilizando ya sistemas continuos y de envasado aséptico para algunos productos y, sin lugar a duda, en un futuro inmediato tendrá que utilizarlos tal como ocurre en los países avanzados, junto con los sistemas rotatorios, continuos o no, para la conservación de conservas vegetales, platos preparados, alimentos para colectividades, etc. con calidad y precios competitivos.

El desarrollo de nuevos envases tales como bolsas esterilizables (nylon-poliolefina, poliéster-poliolefina, poliéster-aluminio-poliolefina), bandejas múltiples o simples, grandes envases de plástico rígido o flexible y de hojalata etc tiene una gran repercusión sobre

las técnicas de esterilización por su forma, volumen, etc. y por su distinta resistencia a los procesos térmicos con sobrepresión, por lo que es de suma importancia precisar exactamente para cada formato y material las condiciones correctas de tratamiento (sobrepresión, gradiente térmico, entre otros) con el objeto de evitar las pérdidas consecuentes a un proceso inadecuado. (Rodrigo y col, 1980)

F. Mejoramiento de la Calidad

La industria conservera encuentra en la alimentación colectiva un brillante porvenir, siempre que este en condiciones de ofrecer al consumidor productos en cantidad y calidad adecuadas a las exigencias del mercado, exigencias tanto mayores cuanto más selectivo sea el público consumidor (alimentos infantiles, alimentos de régimen para hospitales, platos típicos en comedores industriales, etc.) cuanto mayores sean las limitaciones legales del país (restricciones en el uso de conservadores y aditivos en general), y cuanto más elevado sea el nivel de vida. Esas exigencias se pueden satisfacer en un gran número de casos y de forma ventajosa frente a otras técnicas de conservación (congelación, refrigeración, etc.) ofreciendo productos bien esterilizados que mantengan unas características sensoriales óptimas, que admitan su manipulación posterior y con un buen nivel nutritivo, para lo cual es necesario disponer y aplicar una tecnología adecuada. (Rodrigo y col., 1980)

G. Ahorro de energía

Otro aspecto que cada vez adquiere mayor importancia son los gastos de la industria en el consumo energético. El industrial ha de estudiar muy detenidamente este aspecto para minimizarlo, no olvidando que la operación de esterilización es una de las que más energía consume, por lo que debe analizar detenidamente los equipos y técnicas que, permitan el mayor ahorro energético.

Para que la industria de conservas pueda alcanzar los objetivos antes expuestos es necesario desarrollar con bases científicas una tecnología de esterilización adecuada y adaptada a este sector industrial, que ponga a su disposición baremos de esterilización óptimos ajustados a cada producto y envase.

Para ello se requiere conocer la evaluación de las temperaturas en el interior del producto, investigar la cinética de degradación térmica de las enzimas, microorganismos, propiedades sensoriales y valor nutritivo del alimento, seleccionar entre los modernos sistemas y equipos de esterilización el más adecuado en cada caso y utilizar el método más apropiado para calcular los baremos. (Rodrigo y col., 1980)

II. Bases Científicas

A. Definir los objetivos que se pretenden alcanzar

En cada caso habrá que fijar el factor de reducción de la contaminación (n) que se desea obtener o el porcentaje de inactivación enzimática o de la retención del factor de calidad (N) que se quiere alcanzar.

N n = log o

Ecuación (1)

Nm

NO = Contaminación inicial o valor inicial del parámetro que se degrada.

Nm = Contaminación o valor del parámetro al final del tratamiento.

La intensidad del tratamiento térmico será función del factor de reducción (n) que se establezca para cada parámetro. Los valores de n que se aplican para microorganismos son siempre mayores que los factores de calidad. Esto es lógico porque en el primer caso se busca la máxima inactividad (seguridad) y en el segundo interesa en general conservar la mejor calidad o bien alcanzar un determinado grado de cocción preestablecido y definido de ser posible en forma objetiva.

Es importante, en el caso de microorganismos, partir de una materia prima con un nivel de contaminación (N0) mínimo y con una calidad inicial (sabor, contenido de vitamina,

textura, color, etc.) elevada para que el factor n sea lo más bajo posible.

Para la selección de la especie de microorganismos más adecuada para el establecimiento de los baremos de esterilización. Rodrigo y col. (1982) establecen que hay que tener en cuenta lo siguiente:

a) Que esté presente o que pueda desarrollarse en el alimento.

b) Que el microorganismo sea patógeno o que sus metabolitos sean tóxicos. c) Que sea el más termorresistente.

d) Que pueda activarse a temperatura ambiente.

B. Identificación de la cinética de destrucción o degradación de los diferentes factores de referencia.

El calor afecta a los alimentos envasados, inactivando los microorganismos y enzimas presentes y alterando el valor nutritivo y la calidad sensorial. Para cuantificar estos efectos térmicos es necesario conocer la cinética del proceso y para ello hay que establecer, en principio, lo que se entiende por daño térmico y su cuantificación. (Rodrigo y col., 1982)

Se admite que al incrementar la temperatura por encima de la óptima de crecimiento, el microorganismo se inactiva, sufre algún tipo de deterioro o muere. La imposibilidad de reproducción de las esporas puede deberse a dos causas: incapacidad para iniciar la germinación e incapacidad para duplicar moléculas críticas. (Rodrigo y col., 1990)

En el caso de factores nutritivos o de calidad, basta aplicar por lo general, en el alimento en cuestión, un método objetivo adecuado para cuantificar el daño por efecto térmico, tomando como referencia el valor instrumental obtenido, con el mismo método en la materia prima sin tratar Conviene recordar que la mayor parte de datos bibliográficos

referentes al efecto térmico sobre los factores de calidad, se han obtenido con soluciones patrones y no con el propio alimento. En el caso de microorganismos y enzimas, cuando se trata de delimitar un umbral para la inactivación térmica, la información disponible hasta ahora demuestra que la inactivación depende de muchas condiciones ambientales y, en consecuencia, se confirma de nuevo que deberá estudiarse y cuantificarse en el mismo alimento que es objeto del cálculo térmico.

La influencia de los factores externos (número de microorganismos, pH del medio, contenido en NaCl, aceite, azúcar, etc.) sobre la termorresistencia de microorganismos es más conocida. Hoy se sabe perfectamente el daño térmico en gran número de especies microbianas y, aunque en muchos casos los resultados de los distintos investigadores no son coincidentes, indican que aplicando una técnica de análisis microbiológico uniforme y normalizada se conseguirían mayores coincidencias. (Rodrigo y col., 1982)

III. Leyes de Destrucción de Microorganismos

A. Primera Ley de destrucción de microorganismos.

En cuanto a la cinética de degradación, se sabe que en el caso de los microorganismos y de algunos factores de calidad siguen una ley exponencial de primer orden, similar a la de destrucción de un producto químico. En el caso de factores de calidad debería hablarse más bien de una respuesta al calor que, en primera aproximación, puede calificarse de primer orden. Y a este respecto, cabe señalar que Rodrigo y col (1982), al estudiar la cinética de destrucción de la textura de alubias blancas durante la cocción, observan un comportamiento logarítmico y dedujeron un valor de Z = 32ºC, midiendo la textura por cizallamiento en la máquina Instron. Valor que está muy próximo a Z = 25 ºC de Michiels en 1973 usando un método de punción individual. Pero también observaron una clara desviación del comportamiento logarítmico, medido por cizallamiento y por punción, cuando las condiciones de tratamiento son intensas. (Rodrigo y col, 1982)

De forma general y siendo N el número de microorganismos o el factor de calidad que se degrada, la ecuación de primer orden sería:

− dN _{= kN} d

θ

N _dN θ − = k d

θ

N N0 0

N = Cantidad de microorganismos presentes en el producto alimenticio θ = Tiempo

Según Rodrigo y Col (1980), a partir de la ecuación anterior se llega a la siguiente ecuación: ln N0 _{= k}

_θ

N 2.303log N0 _{= k}

_θ

N

θ

= 2.303 log N0 k N

Para el caso específico en el cual la reducción de microorganismos sea de

N

N = 0 _{, es decir, bajar la carga microbiana en un 90 %.}

10 2.303

θ

= log10 k

θ

= 2.303 = D_T k

N

θ

= D_T log 0 N

N

₀

F

_T

=

D

_T

log

Ecuación (2)

N

_m

Que se conoce como Ley de sobrevivencia o primera ley de la cinética, cuya representación en papel semilogarítmico es una recta con una pendiente 1/DT. En está

ecuación:

FT = Tiempo de tratamiento a temperatura constante para reducir el N0 a Nm hasta un

valor determinado.

DT = Tiempo de la reducción decimal a la temperatura T.

Por definición, DT es el tiempo de calentamiento a temperatura constante (T), necesario

para reducir o degradar a la décima parte el número de microorganismos ó el factor de calidad.

El carácter exponencial de esta ley indica que teóricamente no puede llegarse a una destrucción total de microorganismos aunque el tiempo del tratamiento sea muy largo. Lo que se hace en el caso de microorganismos es fijar un factor de reducción n que equivale, a una probabilidad de supervivencia tan baja que no suponga un riesgo para el consumidor. (Rodrigo y col, 1982)

Este mismo criterio, aplicado a un factor de calidad, significa que se fija un valor final del parámetro en cuestión que no llegue a afectar desfavorablemente a la calidad del producto. (Rodrigo y col, 1980)

B. Definición de la cinética de destrucción térmica de microorganismos y de la degradación de calidad

El exponente n del factor de reducción para otros microorganismos o para los factores de calidad se establece en cada caso teniendo en cuenta una serie de cuestiones tales como los niveles normales de contaminación, la peligrosidad del microorganismo, la termorresistencia o la degradación térmica de la calidad.

Como se observa en la tabla 1 algunos parámetros cinéticos de la destrucción o degradación por el calor, de microorganismos y factores termolábiles, en alimentos poco ácidos el proceso es más severo a temperaturas de 121ºC. El microorganismo mesófilo

C. esporógenes es el que presenta un valor más alto de D0 y F0 de 1.5 y 5 minutos

respectivamente. En el caso de alimentos muy ácidos o ácidos los valores de D y F son menores que los que presentan los alimentos poco ácidos, en algunos microorganismos la temperatura de referencia es menor a los 121ºC, por ejemplo para los Lactobacilos el valor de D a 65ºC oscila entre 0.5 y 6 min. Los valores de Z para estos alimentos son menores a 10ºC. Como se observa en el caso del maíz dulce la enzima más importante es la peroxidasa los valores de Z son de 11 a 52ºC y el valor de F0 es de 5.1 min. En

cambio para las demás enzimas los valores de F0 son muy pequeños.

El valor más alto de F0 como se observa en la tabla es cuando el factor es la textura; en

el caso de las alubias alcanzando un valor de F0 de 12.8 min. Para el caso de las

valores de Z muy altos. Por último en el caso de la vitamina B1 el valor de FO es de 5.6

min. y teniendo un valor de Z de 25ºC, igual al que presenta la textura en las alubias.

Los factores que afectan a la retención de un nutriente en un alimento envasado y esterilizado son: estabilidad del nutriente frente al calor, solubilidad, sensibilidad a la luz, concentración de oxígeno, pH o acidez del alimento, interacciones entre los distintos nutrientes o interacciones entre éstos y el envase.

El efecto térmico sobre los nutrientes tiene lugar fundamentalmente en las operaciones de escaldado, pasterización y esterilización. En el escaldado las pérdidas se producen casi exclusivamente por solubilidad, oxidación y daños mecánicos. En la pasterización se producen pocas pérdidas en productos ácidos o acidificados por la mayor estabilidad que les confiere el propio medio ácido y por las temperaturas relativamente bajas aplicadas en está operación. Las pérdidas más importantes se producen por oxidación, razón por la cual se recomienda desairear los fluidos antes de pasteurizarlos. En está operación intervienen el tiempo y la temperatura de tratamiento, la forma de penetración del calor y la cinética de degradación del nutriente en cuestión, no hay muchos datos sobre la degradación que sufren los nutrientes en los alimentos durante la esterilización. La mayor parte de resultados se refieren a las vitaminas o se han obtenido en soluciones patrones.

(Rodrigo y col., 1980)

C. Segunda ley de destrucción de los microorganismos

La curva del TDT o segunda ley de la cinética de microorganismos relaciona los logaritmos del tiempo de destrucción térmica (TDT) o del tiempo de reducción decimal (DT) con la temperatura. Matemáticamente se representa por las siguientes ecuaciones:

log DT = mT + b

m = pendiente b = intercepto

Relación lineal

TDT♦ Línea recta, con una pendiente e intercepto diferente

log D_T1 − log D_{T 2 =} T₂ − T₁

log10 Z

log D_T1 − log D_{T 2 =} log10 _{? pendiente} T2 − T1 Z T1 = 121ºC log DT1 ₌ T2 − T1 _? DT1 _{= 10} T2 Z − T1 D_{T 2} Z D_{T 2} T2 − 121 D₁₂₁ = D_T210 Z T2 − 121 D₁₂₁ n = D_T n10 Z

ln N0 _{= kθ} N F₁₂₁ F_{T 2} = _T 2 − 121 10 Z

Definición de la cinética de destrucción

térmica de m.o. y de la degradación de calidad

Segunda ley de la destrucción térmica.

121− T2

F

_{T 2}

=

F

₁₂₁

10

Z

Ecuación (3)

Z = Número de grados requeridos para que la velocidad de destrucción térmica aumente o disminuya diez veces.

F121 = Minutos necesarios para destruir un número prefijado de microorganismos a 121

ºC. Cuando la Z del microorganismo es igual a 10 ºC o 18 ºF al F121 se le denomina F0.

Diversos investigadores han propuesto el uso de los parámetros semiempíricos: constante de la velocidad de reacción (K) y la energía de activación de Arrhenius (Ea) como sustitutos de los valores F y Z respectivamente.

En algunos casos se utiliza el parámetro Q10 como medida de la variación del valor DT o F

con la temperatura. Su relación con Z es:

Q10 1

log = 10 Z

Q10 ? Cambio en la cinética que se reduce 10 veces. Cambio que provoca la reducción

Capítulo 3

Conceptos de Transferencia de Calor

I. Conceptos Básicos

A. Definición de Calor

El calor es una forma de energía transmitida hacia un sistema, o desde éste, como resultado de una diferencia entre la temperatura del sistema y la de sus alrededores. El calor fluye naturalmente de un cuerpo con mayor temperatura hacia uno con menor temperatura. (McKelvey & Grotch, 1980)

B. Tipos de Calor

Calor sensible: asociado a un cambio de temperatura.

Calor latente: asociado a un cambio de estado del material más que a un cambio de temperatura (e.g., las cristalización del agua al hielo).

C. Unidades de Calor

La unidad estándar de calor en el sistema inglés es BTU (Unidad de Temperatura Británica, siglas en inglés). Un BTU se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb masa de agua a 60°F, en un grado Fahrenheit. En tanto que la unidad métrica correspondiente, la kilocaloría (kcal), representa la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua a 14.5°C, en un grado Celsius.

1 BTU = 0.252 kcal

II. Leyes Básicas de Transferencia de Calor

A. Mecanismos, parámetros y factores que influyen en la penetración de calor

La transferencia de calor se define como la transmisión de energía desde una región a otra debida al gradiente térmico que existe entre ambas regiones. Se reconocen tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Los dos primeros son los principales mecanismos que intervienen en el calentamiento de las conservas.

La transmisión por conducción tiene lugar por intercambio de energía cinética entre las moléculas, sin desplazamiento de las mismas. Este mecanismo es típico cuando se esterilizan conservas en autoclave, constituidas por alimentos sólidos o muy viscosos: maíz tipo crema, comida para perros, jamón cocido, mermelada, productos vegetales, cárnicos o marinos con salsa espesa, sopas concentradas, etc.

En el calentamiento por convección la energía se transporta por una combinación de conducción de energía almacenada y mezcla, debida esta última a las diferencias de densidades que se producen en el fluido por el gradiente térmico entre las paredes y las zonas interiores. Presentan este mecanismo las conservas de zumos con poca pulpa o que no tienen tendencia a gelificar, los productos envasados con agua, salmuera o almíbar ligero, caldos o sopas poco viscosos, leche evaporada, etc.

En la práctica, la mayor parte de conservas presentan una participación conjunta de conducción y convección, que puede aproximarse en teoría a uno u otro sistema según la naturaleza del producto y las condiciones de trabajo en la esterilización.

Representando en gráfica semilogarítmica la penetración de calor, los alimentos típicamente convectivos, vendría dada por una recta con mucha pendiente y los alimentos conductivos por una recta con un tramo al principio y con menos pendiente.

La inversa de la pendiente se denomina fh y se define como el número de minutos

necesarios para que la curva atraviese un ciclo logarítmico. El grado de curvatura durante el período de ascenso de la temperatura se cuantifica por el factor de inercia jh. (Rodrigo y

col, 1980)

La velocidad de penetración de calor en un alimento durante la esterilización depende de los siguientes factores:

a) Tamaño y forma del envase

Al aumentar la distancia entre el centro y la pared del envase o al reducir la relación superficie/volumen, la velocidad de penetración disminuye. Este efecto es más importante en alimentos que transmiten el calor por conducción que los que lo hacen por convección.

b) Naturaleza del envase

Los envases metálicos transmiten el calor a través de la pared más rápidamente que los de vidrio. Esta diferencia es más importante cuanto mayor es la conductividad del alimento.

c) Gradientes de temperatura

La velocidad de penetración de calor depende de la diferencia de temperaturas entre el entorno (autoclave) y el producto (gradiente de temperaturas) y no de los valores

____

absolutos de cada una de éstas. No obstante, hasta llegar a la estabilización, las temperaturas son mayores en los envases cerrados a temperaturas más altas. Si el tiempo de subida de temperatura en relación con el tiempo total de esterilización es corto (calentamiento convectivo) el efecto de la temperatura inicial es pequeño. Por el contrario en alimentos que se calientan por conducción, en los que el tiempo de subida ocupa la mayor parte o incluso el total del tratamiento térmico, la influencia de la temperatura inicial puede ser muy grande.

d) Características y Naturaleza del producto

La penetración de calor disminuye cuando la viscosidad de la fase líquida aumenta (soluciones con almidones, gelatina, gomas, etc.) o cuando la fase sólida es de mayor tamaño, más compacta o de mayor textura.

e) Agitación del envase

En productos con viscosidades medias, la agitación favorece los movimientos de convección y acelera la penetración de calor. El tipo y velocidad de rotación así como el espacio de cabeza influyen también en la velocidad de penetración de calor.

f) Relación sólido / líquido

Al aumentar la relación sólido / líquido sé dificulta la penetración de calor. Para controlar la eficacia de la esterilización en conservas de baja acidez la Food & Drug regula éste factor.

(Rodrigo,1981)

B. Calentamiento por Convección

La transferencia de calor puede describirse aplicando la ecuación general del balance térmico y haciendo uso de un coeficiente global de transferencia de calor U. La ecuación se describe entonces:

Balance de energía:

θ =0 ? T = T0

mCp(T-T0)=UA Δ TL

θ

m = Masa del producto (Kg)

Cp = Calor específico del producto (Kcal/Kg ºC) T = Temperatura del producto al tiempo

U = Coeficiente de transferencia de calor (Kcal/hrm2ºC) A = ‰rea de transferencia (m2) Δ T = Fuerza impulsora _____ Δ _T 0 − Δ Tθ Δ T_L = _Δ T0 ln Δ Tθ

Δ T₀ = RT − T₀ = RT − IT IT = T0 Δ g _{= 1.82} Δ j T = Temperatura al tiempo θ

θ = tiempo de aplicación del calor

mCp (T − IT ) = UA (RT − IT ) − (RT − T )

θ

⎯ RT − IT ln √ RT − T ↵

1

0.427

fh´(

₂

+

₂

)

re

(le / 2)

fh

=

1

₊

0.427

rn

2

(ln/ 2)

2 ⎯ RT − IT UA ln √=

θ

RT − T ↵ mCp ⎯ RT − IT UA log √=

θ

RT − T ↵ 2.303mCp y = m x RT − T − UA log =

θ

RT − IT 2.303mCp − UA − 1 pendiente = = 2.303mCp fh 2.303mCp fh = UA

Dado que m= densidad (ρ ) * volumen (V) se llega a que:

Esto significa que si se determina experimentalmente el valor de fh para un tamaño de

Para la predicción de la evolución de temperaturas en el interior de alimentos enlatados sometidos a un medio calefactor cuya temperatura varía a lo largo del proceso (caso de esterilizadores continuos),

Hayakawa

en 1971 desarrollo un procedimiento numérico basado en fórmulas experimentales, deducidas por el mismo autor, y que es aplicable a envases de cualquier formato y a diferentes tipos de alimentos. (Rodrigo y col, 1982)

C. Calentamiento por Conducción

La transmisión de calor por conducción en botes de conserva tiene lugar siempre en estado no estacionario, es decir, que la temperatura en un punto del alimento es función de su posición geométrica y del tiempo transcurrido.

La ecuación general que describe la transmisión de calor (variación de temperaturas) por conducción, en régimen no estacionario, en las tres dimensiones de un sistema cartesiano de coordenadas y a través de un elemento volumétrico de dimensiones dx , dy , dz en un sólido isotrópico es la siguiente:

δ

δ

2 2 2

u

1 u

+δ

δ

+δ

δ

u

u

α

=

t

2 2 2

x

y

z

−

−

T T

_M

T

_M siendo u = La temperatura reducida o canónica =

T

_O α = difusividad térmica

t= tiempo

TO= La temperatura inicial del producto

T = La temperatura en un punto del producto en cada momento TM =Temperatura del medio calefactor.

Capítulo 4

Métodos Empleados en el Cálculo de Procesos Térmicos

I. Cálculo de baremos de esterilización

Cuando los alimentos esterilizados se encuentran en recipientes cerrados, los cambios de la temperatura interna del producto con respecto al tiempo de calentamiento se puede evaluar, la letalidad de estos procesos térmicos utilizando el método general, este método es una integración gráfica de la curva tiempo-letalidad, ó por métodos de la fórmula, los cuales utilizan valores tabulares previamente calculados de los parámetros en una ecuación que requiere el tiempo de proceso o el proceso de letalidad.

Los problemas en el cálculo de los procesos térmicos involucran dos tipos: (I) La determinación del tiempo de proceso y temperatura para designar la letalidad del proceso o (II) La evaluación del tiempo de proceso y temperatura. Estos son referidos por algunos autores como problemas tipo I y tipo II. (Toledo, 1991)

II. Método General o de Bigelow

La letalidad de un proceso es calculado por una integración gráfica o el valor de letalidad usando la información tiempo-temperatura de un proceso.

t z

0

F

=

L dt

_t

0

La ecuación anterior puede ser usada para determinar la letalidad del proceso. Sin embargo, D no es constante, y el valor de esterilización expresado como el número de reducciones decimales de un microorganismo será integrado sobre el tiempo de proceso, usando los valores de D a diferentes temperaturas en el proceso.

Si un proceso programado es determinado, las curvas de calentamiento y enfriamiento son usadas para determinar la curva de letalidad, la cual es gráficamente integrada para obtener un valor de F0. La letalidad del proceso debe ser igual al valor especificado por

F0.

Si el valor de letalidad excede lo especificado, el tiempo de calentamiento debe ser reducido, una curva de enfriamiento paralela a la original es trazada reduciendo el tiempo de calentamiento, y así el área es recalculada.

Para resolver numéricamente el Método General se puede seguir alguna de las siguientes reglas o métodos numéricos como son:

A. Regla de Simpson: Area = ⎯

θ

3 √_↵

(

Y0 + 4Y1 + 2Y2 + 4Y3 + ... + 2Yn− 2 + 4Yn− 1 + Yn

)

Y = Letalidad θ =Tiempo B. Regla Trapezoidal b _{b − a} = f (X₁) + 2 f (X ₂) + 2 f (X ₃) + f (X_n ) 2n a X = Letalidad b = Tiempo final a = Tiempo inicial n = Número de puntos C. Patashnick Area =

θ

[

Y1 + Y2 + ... + Yn− 1

]

Y = Letalidad

θ =Tiempo

Como consecuencia o como resultado del análisis de miles de curvas de tratamiento térmico, se ha llegado a la conclusión de que

la curva de enfriamiento contribuye

con cerca de una tercera parte del total de la letalidad del proceso.

Este método fue originalmente propuesto por Bigelow en 1920 teniendo un amplio uso durante varios años. El uso de este método gráfico se ha descontinuado debido a que es laborioso, sin embargo, fue la base para el desarrollo de muchas otras alternativas en el cálculo de tiempo de proceso en productos enlatados. Es una forma de ver gráficamente una serie de datos de destrucción de esporas y de penetración de calor lo que permite entenderlos más fácilmente que un método matemático, el cual requiere una interpretación más precisa de la transferencia de calor. Sin embargo, el método de fórmula (matemático) actualmente es usado por su rapidez de cálculo.

Este método presenta algunas ventajas respecto al equipo utilizado ya que sólo se requiere: termopares, potenciómetro y un autoclave. Puede considerarse como opcional el uso de un planímetro. Además es un método confiable para evaluar valores absolutos de esterilidad, así como en el estudio de curvas de penetración térmica donde se presentan formas de transmisión de calor (curvas no lineales).

Entre las desventajas se encuentran el hecho de que se tiene que repetir todo el procedimiento en caso de que se desee cambiar tamaño de lata, o que se cambie el valor de la temperatura inicial o se use una temperatura de proceso diferente. (Merson y Valle, 1981)

III. Métodos de la Fórmula

Los métodos de la fórmula son basados en valores tabulados para expresar la letalidad como el parámetro fh/U. Estos valores fueron previamente calculados para varias condiciones de calentamiento y enfriamiento cuando la diferencia de la temperatura de terminación del proceso es expresada como el parámetro g. Los dos métodos más importantes son los métodos de Stumbo en 1973 y Hayakawa en 1970.

Las tablas de Stumbo para fh/U vs g combinan la letalidad del calentamiento y enfriamiento. La principal consideración usada en la determinación de la letalidad es que

f

h

=f

c. Cuando esta condición no se cumple, Stumbo recomienda usar el método general. Hayakawa en 1970 presenta la letalidad de las fases de calentamiento y enfriamiento del proceso en tablas separadas, por lo tanto permite la aplicación de su método incluso bajo diferentes velocidades de calentamiento y enfriamiento. Los valores tabulados de Hayakawa permiten sustituir diferentes valores de z, simplificando el cálculo de valores de FZ0 para diferentes valores de z.

El valor de g es obtenido de las tablas, usando un valor especifico de F0 y el valor de z,

las tablas de Stumbo son simples de usar para la determinación de los procesos térmicos.

Las tablas de Hayakawa requieren un procedimiento iterativo involucrando la aproximación de un valor de g, calculando el F0 y repitiendo los cálculos usados con un

nuevo valor de g hasta calcular el valor de F0 especificado.

Los siguientes parámetros son usados en los métodos de la fórmula:

U=F0Fi= Tiempo a TR equivalente de F0

de donde:

TR = Temperatura del medio de calentamiento o autoclave

Fi = el número de minutos necesarios para destruir un microorganismo a la temperatura

del autoclave cuando F (a una temperatura de referencia) es igual a uno.

A. Procedimiento de Ball

C.O. Ball, en su artículo —Thermal Process for Canned Food“ (National Research Council Bulletin 7, No. 37 [1923]), propuso un método de fórmula que permitiría la extrapolación del tiempo de proceso de la lectura de un termopar una vez que los datos de tiempo y temperatura habían sido obtenidos por una medición directa. El Método de Fórmula de Ball es el procedimiento de cálculo de procesos más utilizado hoy en día en E.U. Sin embargo, el riesgo, las limitaciones y la teoría del método de cálculo no son comprendidas con facilidad por muchos en la comunidad de procesos térmicos.

Las suposiciones básicas en el Método de Ball son resultado de términos definidos empíricamente en el método que permiten una —estimación“ del tiempo de proceso y el valor de esterilización. Desafortunadamente, estas suposiciones sobreestiman el valor de letalidad, y aunque se hagan de manera conservadora, no definen el valor preciso de la letalidad obtenida por el proceso. El Método de Ball utiliza factores de calentamiento y de enfriamiento para predecir el punto frío o la zona donde la penetración de calor es más lenta.

Las siguientes suposiciones son hechas para el cálculo de un proceso por este método:

1. jc = 1.41

2. fc = fh (pendiente de un calentamiento linear logarítmico = pendiente de

un enfriamiento linear logarítmico)

3. Tr œ Tw o m+g = 180°F (vapor) o 130°F (agua)

4. 42% de corrección para el CUT (Come Up Time) en el cálculo del valor de jh

5. No hay más calentamiento de producto una vez que el enfriamiento inicia

6. Temperatura de la Autoclave constante

Las suposiciones anteriores hacen que el Método de Ball sea flexible más no preciso, los mayores errores en la letalidad ocurren durante el enfriamiento. En el caso de productos conductivos, en muchas ocasiones, existe un aumento hasta del 100% en el valor de la letalidad calculada para el proceso establecido, lo cual es inaceptable para la calidad del producto.

(Basic Termal Processing Course)

B. Procedimiento de Stumbo

Stumbo ha tabulado fh/U vs g con jc como un parámetro. Jc fuertemente influye a la

contribución de la zona de enfriamiento del proceso para la letalidad total. En general los valores de jc son más altos que los valores de j. En ausencia del valor de jc, j puede ser

usado y el error sería en relación al tiempo de proceso más largo o lado de seguridad relativo al daño causado por los microorganismos. Las tablas condensadas de fh/U vs g para valores de z entre 14 y 22 y para 60 a 90 son mostradas en las Tablas 9.12 y 9.13 del libro de Toledo (1991). La tabla 9.12 es usada para la inactivación microbiana, y la tabla 9.13 es usada para la degradación de un nutriente. Es posible realizar interpolaciones entre los valores en la tabla y otros valores de z. (Toledo,1991) (Stumbo,1966).

Los procedimientos de Stumbo involucran la evaluación de la letalidad sobre un segmento individual en la curva de calentamiento. Si las tablas de fh/U vs g fueron desarrolladas incluyendo la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso, una corrección necesita ser hecha para la letalidad que contribuye el enfriamiento para el primer segmento lineal de la curva de calentamiento, el cual no existe. El parámetro r fue usado para expresar la fracción del total del proceso de letalidad.

El método de Stumbo considera las siguientes relaciones para su análisis:

Corrección para el primer segmento lineal que termina en gbh:

fh U₁ = r

( fh /U )_gbh

r= función de corrección de Stumbo, depende del valor de g.

f f U ₂ = 2 _{− r} 2 ( fh /U )_g ( fh /U )_gbh f fh − f UTOTAL = _{( fh /U )}2 + r 2 g ( fh /U )gbh C. Procedimiento de Hayakawa

En el procedimiento de Hayakawa para el análisis del proceso de tratamiento térmico se basa en analizar por separado la zona de calentamiento con respecto a la zona de enfriamiento para lograr este análisis, Hayakawa desarrolla tablas para las dos zonas. Las tablas son basadas sobre un valor de Z de 20 ºF. Los parámetros g/Ks, con Ks =z/20, son tabulados contra U/fh. El último es el recíproco de fh/U de Stumbo.

Las tablas de Hayakawa son mostradas en la Tabla 9.14 del libro de Toledo (1991) para la letalidad de la parte de calentamiento del proceso y en las Tablas 9.15, 9.16, 9.17, 9.18 y 9.19 del libro de Toledo (1991) para la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso. De las tablas 9.15 a 9.19 la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso, jc es el

parámetro utilizado.

U en las tablas de letalidad para la curva de enfriamiento es el equivalente al tiempo de calentamiento a Tg. Por lo tanto, esto debe ser convertido de U a Tr antes de empezar

añadir el valor de U obtenido de la tabla 9.14 para el calentamiento.

La conversión de U a Tg en U a Tr es usando la siguiente ecuación:

U = U‘ (10)-g/z

Tr = Temperatura del medio de calentamiento o autoclave.

T g = Diferencia en grados Farenheit, entre la temperatura del autoclave y la máxima

temperatura alcanzada en el punto que se analiza.

Donde U es el proceso U =F0Fi o el equivalente al tiempo de calentamiento a 250 ºF. U‘

es U obtenida de las tablas 9.15 a 9.19, el equivalente al tiempo de calentamiento a Tg

para la letalidad de la parte de enfriamiento del proceso. (Toledo, 1991) (Hayakawa, 1981)

Los procedimientos de Hayakawa involucran el uso de las tablas de letalidad para determinar el valor de U en cada segmento de la curva de calentamiento. Sin embargo, está integración de la letalidad en las tablas de U son llevadas para empezar el proceso, la letalidad bajo el segundo segmento lineal debe ser corregido.

a) Si sólo se tuviese un punto de inflexión la información que se tiene: j, I, fh, gbh, f2 y g.

Empleando los valores de gbh/KS, g/KS para la sección de calentamiento. Se obtienen

dos valores de U/fh.

U ⎯ U ⎯ U U = fh + f_{2 √√ − √√}

fh _gbh fh _{↵ g} fh _{↵ gbh}

U ⎯ U ⎯ U ⎯ U ⎯ U U = fh + f_{2 √√} − _√√ + f_{3 √√ − √√}

fh _gbh fh _{↵ gbh}

2 fh ↵ gbh1 fh ↵ g fh ↵ gbh2

Para la zona de enfriamiento se utiliza la siguiente expresión:

U ' ₌⎯ U ' √√ f f_{c ↵} 2 − g ' _z U _{enf .} = U 10

U' = Efecto letal del proceso en tiempo en que el alimento alcanza la TMAX del producto.

IV. Curvas de Calentamiento quebradas

Las curvas de calentamiento quebradas exhiben un punto de quiebre o inflexión en la velocidad de calentamiento de algún punto del proceso térmico. Por lo tanto, dos o más líneas son formadas cuando las curva de penetración de calor es trazada sobre un papel semilogarítmico. Este tipo de comportamiento ocurre cuando el producto en la parte interna de la lata sufre un cambio físico que altera las características de transferencia de calor. La diferencia entre la temperatura de la retorta y el primer punto de intersección es denominada como gbh. El resto de los parámetros de la curva de calentamiento son los

Capítulo 5

Cálculo de Procesos Térmicos

I. Evaluación de Parámetros de Diseño

A. Evaluación del factor de reducción de la contaminación (n) o el porcentaje de inactivación enzimática o la retención del factor de calidad (N).

Para el diseño de un proceso térmico hay que fijar el factor de reducción de la contaminación (n) que se desea obtener o el porcentaje de inactivación enzimática o la retención del factor de calidad (N) que se quiera alcanzar.

Para este procedimiento se emplea la Ecuación (1)

B. Cálculo del valor D, para una temperatura determinada a partir del cálculo de la correlación log. de microorganismos sobrevivientes contra tiempo.

Para el desarrollo del cálculo del valor D se tomo cómo base el siguiente ejemplo de destrucción térmica de un microorganismo, considerando que N0=10,000, con la

temperatura de operación de 240ºF.

Tiempo de Calentamiento

(min)

Promedio del Número de Colonias por muestra (N) Log N Log N/N0 0 10,000 4 0 10 90 1.95 -2.045 14 12 1.08 -2.920 18 2 0.30 -3.690 22 0.33 -0.48 -4.480 28 0 36 0

Manualmente y a partir de la correlación de Log N vs. Tiempo se obtiene:

Correlación=-0.99986 Intercepto= 3.9866 Pendiente =-0.204 − 1 D240ºF = _{− 0.204}= 4.9min (Welti, 1997)

C. Cálculo del valor DT a partir de datos de muerte y sobrevivencia

El cálculo del valor D a partir de la información cuantitativa se determina con la siguiente ió

U

D

_T

=

log a

−

log b

Donde :

U = Tiempo máximo de sobrevivencia del microorganismo. a = carga máxima del microorganismo en la experiencia.

b = carga mínima que tendrá resultados sobrevivencia al tiempo U.

D. Determinación del cálculo del valor Z

El valor Z se determina de la curva de destrucción térmica de microorganismos (T.D.T.) y representa el intervalo de temperatura necesario para aumentar o disminuir 10 veces el tiempo de destrucción térmica. (Rodrigo y col, 1982)

Para calcular el valor Z se requieren una serie de valores D a diferentes temperaturas, estos valores D son calculados como se mencionaron anteriormente.

Para evaluar el valor de Z se tomo como base el siguiente ejemplo:

T (ºF) DT (min) Log DT 230 19.65 1.29 235 10.47 1.02 240 4.92 0.69 245 2.56 0.41 250 1.23 0.089

Manualmente y a partir de la correlación de log D contra Temperatura (ºF) se obtiene:

Correlación= -0.999 Pendiente= -0.06024 Intercepto = 15.1574 − 1 z = = 16.6º F − 0.06024 (Welti, 1997)

E. Casos prácticos

1. El valor de F a 121 °C equivalente a 99.999 % de inactivación de una espora de C.

botulinum es de 1.2 minutos. Calcule el valor D0 para este microorganismo.

2. Calcule el F0 basado sobre el concepto 12 D usando el valor de D0 del C. botulinum

del ejemplo anterior.

3. En un incidente de contaminación de un alimento enlatado se encontró el D121 del

microorganismo contaminante que fue aislado de 1.35 min. Se desea que la probabilidad de contaminación de este microorganismo sea de 1 en 100,000. Se sabe que la carga inicial de esporas es del orden de 10 por lata. ¿ Calcule el F0 para

este proceso?. Si ese mismo alimento se inocula con el microorganismo FS1518 para alcanzar un nivel de 4 x 105 esporas en cada lata, cada lata tiene 200 g de producto. ¿ Cuál sería el conteo de esas mismas esporas, si recibe un proceso similar para la reducción del primer microorganismo contaminante. El valor de D0,FS1518=2.7 minutos.

4. El valor de esterilización de un proceso ha sido calculado para un F0 de 2.88 minutos.

Si cada lata contiene 10 esporas de un microorganismo teniendo un D0 de 1.5

minutos, Calcule la probabilidad de contaminación del microorganismo.

5. La carga inicial de un producto enlatado es de 100, y el D0 de la espora es de 1.5

minutos. Calcule el valor de F0 para el proceso térmico tal que la probabilidad de

contaminación es de 1 en 100,000. Si bajo las mismas condiciones el C. botulinum tipo B tiene una D0 de 0.2 minutos, Calcule el valor de F0 que satisfaga al proceso en

12 D para C. botulinum.

6. Un proceso fue calculado tal que la probabilidad de contaminación de un microorganismo con un valor de D0 (1.0 minuto) es de 1 en 100,000 de una carga

inicial de esporas de 100. Para verificar este proceso, un inoculo es cultivado. Calcule el nivel de inoculación de un organismo teniendo un valor de D0 de 1.5

minutos, el cual deberá ser usado en 100 latas en las cuales la contaminación es de 5 latas, equivalentes en la letalidad del proceso calculado.

7. Evalúe matemáticamente en valor de D con la siguiente información:

N Tiempo (min) 10,000 0 90 10 12 14 2 18 0.33 22

8. Calcule el valor de Z apoyándose en una gráfica de papel semilogarítmico, con la siguiente información: T (°F) DT (min) 230 19.65 235 10.47 240 4.92 245 2.56 250 1.23

9. Basándose en la siguiente información evalúe el valor de Z tanto para las curvas de sobrevivencia como de muerte apoyándose en una gráfica de papel semilogarítmico.

T ( °F) DS (min) Dm (min) 230 80 110 235 45 60 240 22 28 245 11 14 250 5.5 7.5 s = Sobrevivencia m = Muerte