i
RESUMEN En el presenta laboratorio de pasteurización se procedió a realizar el proceso a dos alimentos con características geológicas distintas, salsa de tomate y jugo de naranja. A ambos alimentos se les midió la temperatura en el punto frio mediante termocuplas. El procedimiento consistió en medir la temperatura hasta que alcanzó un valor constante el cual se define como temperatura de mantención, y luego se dejó enfriar hasta cierta temperatura, determinando así los tiempos pertenecientes a cada zona de pasteurización. Debido a que ambos alimentos poseen un pH acido, se consideró que el microorganismo que se deseaba eliminar es B. coagulans (B. Thermoacidurans). Los resultados obtenidos para la salsa de tomate fueron: etapa de calentamiento: 42 [min] hasta alcanzar los 56[°C], etapa de mantención 5 [min] a 56[°C] y etapa de enfriamiento enfriamiento 60 [min] hasta 24[°C], y para el jugo de naranja etapa de calentamiento: 17 [min] hasta alcanzar los 58[°C], etapa de mantención 23 [min] a 58[°C] y etapa de de enfriamiento 24 [min] hasta 24[°C]Los datos obtenidos se analizaron usando dos métodos: método integral y método general. Con esto se obtuvieron los tiempos teóricos correspondientes ambos alimentos. Los resultados fueron los siguientes: para la salsa de tomate se obtuvo un tiempo de mantención teórico de 8,64 [min] y para el jugo de naranja el tiempo fue de 8,64 [min].
ii
INDICE GENERAL Indice General..................................................................................................................................... ii Indice de Tablas ..................................................................................................................................iii Capítulo 1
Objetivos ..................................................................................................................... 1
1.1
Objetivos generales ............................................................................................................. 1
1.2
Objetivos especificos ........................................................................................................... 1
Capítulo 2
INTRODUCCION ........................................................................................................... 2
Capítulo 3
RESULTADO Y DISCUSIONES ......................................................................................... 5
3.1
Curvas de calentamiento, mantención y enfriamiento ......................................................... 5
3.2
Tiempos Teoricos de pasteurización .................................................................................... 9
3.2.1
Método Integral. .......................................................................................................... 9
3.2.2
Método General......................................................................................................... 13
Capítulo 4
CONCLUCIONES ......................................................................................................... 15
Capítulo 5
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................ 16
Anexo ............................................................................................................................................... 17
iii
INDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Resumen de tiempos experimentales para ambos alimentos ............................................... 8 Tabla 3.2 Constante k para las respectivas temperaturas de mantención. ......................................... 12 Tabla 3.3 Datos experimentales y teóricos de los tiempos de pasteurización..................................... 12
iv
1
Capítulo 1 1.1
OBJETIVOS
OBJETIVOS GENERALES
Obtener las curvas de calentamiento, mantención y enfriamiento de alimentos con distintas características reologicas.
1.2
-
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Obtener el tiempo de esterilización de ambos alimentos a través del método integral y general considerando los datos obtenidos experimentalmente.
-
Comparar ambos resultados, considerando las características de cada alimento y la presencia del microorganismo B. coagulans (B. Thermoacidurans), el cual se desea aliminar.
2
Capítulo 2
INTRODUCCION
Entre las técnicas de preservación de alimentos, el uso de calor tiene un amplio rango de aplicación. Cocinar alimentos es una forma de preservación de estos, pero no asegura la total inocuidad, por lo que eventualmente sufrirán de degradación en un periodo relativamente corto de tiempo. Cuando se refiere al proceso de preservación de alimentos, se debe aludir a procesos controlados que se utilizan comercialmente como es la pasteurización, la esterilización, y el escaldado. (Potter, 1968).
La pasteurización en un proceso de preservación de alimentos donde estos son sometidos a temperaturas normalmente por debajo de punto de ebullición del agua. Este normalmente tiene dos objetivos dependiendo del tipo de alimento que se trate. Primero, es utilizado para destruir microorganismos patógenos asociados al alimento, y segundo es alargar el tiempo de conservado del alimento con la inhibición de microorganismos y enzimas. (Potter, 1968).
Los procesos de pasteurización, así como cualquier otro en el uso de calor, se basan en dos aspectos principales. La resistencia al calor que posean los microorganismos de cada alimento, y en la capacidad calorífica de cada producto. (Awuah, Ramaswamy, & Economides, 2007)
Para el desarrollo de este informe, se ha realizado la pasteurización en forma de proceso batch de dos alimentos. Salsa de tomate y jugo envasado de naranja. La salsa de tomate se define como el producto resultante de la molienda y tamizaje parcial de tomates de las variedades rojas, sanos, maduros, cuya pulpa y jugo parcialmente libre de piel y semillas ha sido concentrado por evaporación y adición de condimento, sal y aditivos permitidos. El jugo de fruta, en este caso naranja, se entiende como un producto sin fermentar, pero fermentable, pulposo, turbio o claro, destinado al consumo directo, obtenido por procedimientos mecánicos a partir de frutas u hortalizas maduras en buen estado o de sus carnes y conservados exclusivamente por medios físicos. (Ministerio de Sal ud, 2001).
En la práctica del tratamiento térmico, el factor más importante que influye en la resistencia al calor por parte de un microorganismo es la composición del producto, en particular su actividad de agua y el pH. Donde la disminucion de la actividad del agua aumenta significativamente la resistencia
3
térmica , mientras que un ambiente acido y un pH bajo también disminuyen la resistencia al calor. Es por esto que el pH del producto es de gran importancia para el tratamiento termico, donde pH 4,5 representa una línea divisora; productos con pH inferior a 4,5 pueden ser esterilizados a 100 [°C] o a menor temperatura, y aquellos alimentos con pH mayor a 4,5 deben ser esterilizados a mas de 100[°C] (Deák, 2014). Ambos alimentos corresponden a alimentos ácidos. El jugo de naranja tiene un pH alrededor de 3,7 y la salsa de tomate alrededor de 4,4 (Karel. 2003). Estos valores son relevantes ya que las bacterias tienden a morir de manera proporcional al número presente en el alimento que está siendo calentado (Potter, 1968), esto se refiere como el orden de muerte logarítmica, y esta varía para teóricamente para distintos alimentos. En el caso de alimentos ácidos, el valor de esta proporción logarítmica es de 1x105.
En la Figura 2.1 se muestran tipos de bacterias y sus ambientes de crecimiento normal en términos de temperatura y pH. En base a esto, los tiempos de esterilización del jugo de naranja y la salsa de tomate se han realizado con la intención de eliminar el B. coagulans (B. Thermoacidurans).
Figura 2.1 Microorganismos típicos en alimentos procesados. (Karel & Lund, 2003)
4
Para la eliminación de B.Coagulans en alimentos con un pH mayor a 4,5 es aplicar temperaturas de 121[°C ] por 0,7 minutos. En este caso, como ambos alimentos son más ácidos, se recomienda realizar la pasteurización por 1,56 minutos a 100[°C].
Con respecto a la pasteurización existen de 2 tipos de acuerdo con la temperatura y el tiempo aplicado. El primero es un proceso lento usando temperaturas bajas durante mucho tiempo y el segundo es un proceso flash (HTST) utilizando altas temperaturas en un corto periodo. El tratamiento de pasteurización debería ser suficiente para eliminar todas las bacterias patógenas no espurulentas. Por lo tanto el objetivo general de este proceso es extender la vida útil del producto y mantener su calidad. En el presente laboratorio se trabajó con el primer proceso, la cual se aplican temperaturas entre 65-70[°C] durante 15-30 [min] para productos que se encuentran en botellas, frascos o latas. (Deák, 2014)
Los objetivos de este informe consisten en mostrar las curvas de calentamiento y enfriamiento obtenidos durante la práctica y a través de ellos calcular el tiempo de pasteurización para la salsa de tomate y jugo de naranja haciendo consideración de los datos cinéticos de muerte de la bacteria B.coagulans.
Se espera que los resultados en el laboratorio sean similares a los presentados en bibliografía.
5
Capítulo 3 3.1
RESULTADO Y DISCUSIONES
CURVAS DE CALENTAMIENTO, MANTENCIÓN Y ENFRIAMIENTO
Se realizaron experiencias donde se midió la temperatura en función del tiempo del calentamiento de salsa de tomate y jugo de naranja en frascos de vidrio, durante todo el proceso de pasteurización. Los frascos se llenaron con las muestras a temperatura ambiente, y se sumergieron en un baño de agua caliente a aproximadamente 60 [°C]. Mediante una termocupla (Canal 2 para la salsa de tomate y Canal 5 para el jugo de naranja) se midió la temperatura del alimento considerando como punto de referencia el punto frio. La temperatura dentro del frasco se midió colocando el termistor en el punto frío de cada alimento.
Los perfiles de temperatura para la salsa de tomate y el jugo de naranja se observan en las Figura 3.1 y Figura 3.2 respectivamente. A partir de estas, se identificaron las zonas de calentamiento, mantención y enfriamiento.
60 50
] C ° [ 40 a r u t 30 a r e p m20 e T
Zona de Calentamiento Zona de Mantencion
10 0 0
50
100
150
Tiempo [min]
Figura 3.1 Variación de la temperatura con respecto al tiempo de la muestra de salsa de tomate
6
70 60 ] C 50 ° [ a t u40 t a r e30 p m e20 T
Zona de calentamiento Zona de Mantencion
10 0 0
50
100
150
Tiempo [min]
Figura 3.2 Variación de la temperatura con respecto al tiempo de la muestra del jugo de naranja En la Figura 3.3 se muestra la comparación de las zonas de calentamiento, observándose notable diferencias, probablemente debido a sus características (la salsa de tomate representa una dispersión concentrada de la materia, debido a su estructura compleja. Exhibe un comportamiento no newtoniano (Torbica, y otros, 2016)). Por un lado, se nota que el jugo de naranja (liquido homogéneo) alcanza rápidamente la temperatura de pasterización de 58 [°C] en 17 minutos, mientras que la salsa de tomate (liquido viscoso y heterogéneo) su máxima temperatura es de 56 [°C] en 42 minutos, demorando prácticamente 2,5 veces más que el tiempo del jugo de naranja.
60 50
] C ° [ 40 a r u t 30 a r e p m20 e T
Zona de Calentamiento Salsa de Tomate Zona de Calentamiento Jugo
10 0 0
10
20
30
40
50
Tiempo [min]
Figura 3.3 Comparación de las zonas de calentamiento de ambos producto
7
El tiempo total de mantención de la salsa de tomate fue de 5 [min] mientras que el del jugo de naranja fue de 23[min]. Se observa entonces que de mantenimiento del jugo de naranja fue de 4.6 veces el de la salsa de tomates. La línea casi recta denota la zona donde la temperatura permanece constante (aunque con pequeñas fluctuaciones, debido a los datos que escapan del promedio producto del ruido de la termocupla). A esta temperatura en donde el alimento es efectivamente esterilizado. Por lo tanto la temperatura promedio de esterilización determinada a partir de la zona de mantención fue de 56 °C para la salsa de tomas y 58 °C para el jugo de naranja.
59,5 59 ] 58,5 C ° [ a 58
Zona de mantención Salsa de Tomates
r u t 57,5 a r e p 57 m e T56,5
Zona mantención Jugo de Naranja
56 55,5 0
10
20
30
40
50
Tiempo, [min]
Figura 3.4: Zona de mantenimiento de ambos alimentos
Por otro lado, las zonas de enfriamiento (Figura 3.5) se comportan de manera muy diferente, produciéndose además a tiempos distintos. La curva de jugo decrece rápidamente, demorándose aproximadamente 24 minutos en alcanzar los 24[°C]. Mientras que la curva de la salsa de tomate tiene un descenso mucho más lento en comparación a la del jugo, demorando 60 minutos, por lo que es 2.5 veces más lento.
8
60 50
] C ° [ 40 , a r u t 30 a r e p m20 e T
Zona enfriamiento salsa tomates Zona enfriamiento Jugo de naranja
10 0 0
50
100
150
Tiempo, [min]
Figura 3.5 Comparación de las zonas de enfriamiento de ambos productos
En la Tabla 3.1 se muestran los respectivos tiempos de calentamiento y enfriamiento para los dos productos analizados durante la experiencia.
Tabla 3.1 Resumen de tiempos experimentales para ambos alimentos
Salsa de Tomates
Jugo de Naranja
Tiempo Calentamiento [min]
42
17
Tiempo Mantenimiento [min]
5
23
Tiempo Enfriamiento [min]
60
24
9
3.2
TIEMPOS TEORICOS DE PASTEURIZACIÓN
Para la determinación del tiempo total de pasteurización, tanto para el jugo de naranja como para la salsa de tomates, se necesita definir la cinética de los microorganismo patógenos en función del pH que caracterice al alimento (Karel y Lund, 2003), según algunos autores ambos alimentos son catalogados como alimentos ácidos (ver Anexo. tabla 1) con un pH de medio de 4,4 para la salsa de tomates y un pH medio de 3,7 para el jugo de naranja, por lo que recomiendan el uso de parámetros cinéticos de Bacillus coagulans como microorganismos esporulado patógeno resistente a la temperatura.
El rango del tiempo de reducción decimal (D) para destruir esporas de Bacillus coagulans a pH 4.5 es entre 0.01 y 0.07 [min] a 121 °C, con un valor de la constante de resistencia térmica (z) de 10 [°C] .(Brennan, Butters, Cowell, & Lilley, 1980). A 100 [°C] el valor de D es cercano a 2 minutos y el parámetro z tiene un valor de 16,9 [°C] (Tijskens & Schijvens, 1987)
3.2.1 Método Integral. Este método, utiliza la constante de la velocidad de muerte del organismo (k), para el cálculo del tiempo de esterilización. El modelamiento se hace a partir de la cinética de destrucción térmica en microorganismos, obteniendo la siguiente ecuación:
() ∫ Ecuación 1
Donde
: Tiempo de reducción en la zona de calentamiento : Tiempo de reducción en la zona de mantención : Tiempo de reducción en la zona de enfriamiento : Tiempo de reducción total Ea: Energía de activación [cal/mol]
10
R: Constante de los gases T: Temperatura [K] Ko: Constante de la ecuación de Arrhenius [1/s] No: Numero de microorganismos viables N: Numero de microorganismos viables en un determinado tiempo t.
Tanto el jugo de naranja como la salsa de tomate son alimentos ácidos, por lo que considerará para posteriores cálculos un valor de:
() Separando la integral de la Ecuación 1 en las tres etapas fundamentales de la pasteurización que son la zona de calentamiento, mantención y enfriamiento, se obtiene que:
( ) ∫ ∫ Ecuación 2
Donde: k : constante de velocidad de destrucción o de muer te. k (T): constante de velocidad de muerte a la temperatura de pasteurización. t 2 – t 1: es el tiempo de mantención.
En este caso la pasteurización se realizó a 59 [°C] (temperatura del baño caliente), por lo que será necesario encontrar el valor de k a dicha temperatura. Para ello se debe tener presente que la constante de destrucción (k) responde a la cinética de Arrhenius. También vamos a usar como referencia la temperatura de 121 [°C]. Con todo esto se obtiene la siguiente ecuación:
Ecuación 3
11
Donde: Ea: Energía de activación (cal/mol) T : Temperatura (ºC) R: Constante de los gases (1,987 [K cal/mol·K])
La energía de activación para esporas se encuentra en un rango de 53-83 [kcal/mol (Cambiano, 2000). Se seleccionará el valor intermedio de este rango (68 [kcal/mol]) para posteriores cálculos, debido a que no se encontraron antecedentes específicos para nuestra cepa de referencia (B. coagulans).
Para calcular k 121[°C] se utiliza la siguiente ecuación:
Ecuación 4
Donde: D121ºC: tiempo de reducción decimal a 121 [°C].
Como se mencionó anteriormente, B. coagulans tiene un valor de D121ºC entre 0,01 y 0,07 minutos. Seleccionando el promedio de estos, se tiene que D121ºC es igual a 0.04 [min], con lo que se estima, a -1
-1
partir de la Ecuación 4, que k121ºC es de 57.6 [min ] (0.96 [s ]).
Finalmente, utilizando la Ecuación 3, se obtiene en Tabla 2.2 los valores de las constantes cinéticas de destrucción k para ambos alimentos en estudio.
12
Tabla 3.2 Constante k para las respectivas temperaturas de mantención. Jugo de Naranja Salsa de tomate Temperatura de mantención alcanzada [°C] Constante de velocidad de -1 muerte térmica (k o) [s ]
58
56
5,1*1037
5,1*1037
A continuación, mediante el método de los trapecios se estimaron las áreas de calentamiento, mantención y enfriamiento y combinando la Ecuación 1 y 2 se obtuvieron los tiempos de mantención (t2-t1) y en la Tabla 3.3 se compara con los valores arrojados de manera experime ntal.
Tabla 3.3 Datos experimentales y teóricos de los tiempos de pasteurización Alimento Temperatura de Tiempo de Mantención Tiempo de Mantención Mantención
experimental
Teórico
Salsa de Tomate
56[°C]
5 [min]
8,64 [min]
Jugo de Naranja
58[°C]
23 [min]
16,33[min]
Así es posible observar que al comparar los tiempo de mantención de ambos alimentos, considerando que el tiempo teórico considera la destrucción de los microorganismos casi en su totalidad, podemos deducir que para el caso de la salsa de tomate no logró conseguir tal objetivo debido a que el tiempo experimental fue menor que el teórico. Mientras que para el jugo de naranja el tiempo experimental fue bastante superior al teórico por lo que el objetivo se cumplió.
13
3.2.2 Método General Este método utiliza el grafico de
1
v/s t, donde el área baja la curva corresponde a la siguiente
expresión: t
A
dt
0
Ecuación 6 Donde: A: área de un gráfico. : tiempo necesario para destruir cierta cantidad de microorganismos (TDT).
t: tiempo de esterilización.
Con el objetivo que reducir la cantidad de microorganismos suficientes, es que se requiere de cierto tiempo. Esto es equivalente a que el área bajo la curva sea igual a 1, por lo tanto:
t
A
0
dt
1
Con esto la esterilización se habrá logrado. Separando la integral por partes, se obtiene:
∫ ∫ Ecuación 7 Donde: t1: tiempo final del calentamiento t2: tiempo final de la mantención 3
t : tiempo final del enfriamiento
t
: tiempo de esterilización necesario para destruir cierta cantidad de microorganismos a la
temperatura de esterilización.
14
Además, se tiene las siguientes relaciones:
Ecuación 8
Ecuación 9
Donde: No: probabilidad de encontrar una bacteria en el tarro sin esterilizar. N: probabilidad de encontrar una bacteria en un tarro esterilizado. D121ºC: Tiempo de reducción decimal a 121[°C] z: cambio de temperatura necesaria en [°C] para cambiar el
en un factor de 10.
En este caso, los datos a utilizar son los siguientes: 5
N0/N= 1x10 D121= 0,04 z= 10
F121 se calcula a través de la ecuación 9 y se obtiene F121= 0.46 Con estos datos, y la aplicación de la ecuación ecuación 8 se puede calcular el valor de en 729050 [min].
que resulta
15
Capítulo 4
CONCLUCIONES
Los alimentos sometidos a pasteurización en este laboratorio poseen distintas características reologicas, por lo que se comportan de diferente forma aplicarles calor, esto puede deberse principalmente a sus características ya que estas definen sus puntos fríos, y por lo tanto definen la forma en la que el calor afecta a la muestra. Como era de esperar la muestra liquida (con densidad cercana a la del agua) demoro menos en llegar a un temperatura constante y su tiempo de mantención fue mayor, no así la salsa de tomate la que demoro un mayor tiempo para llegar a una temperatura constante y tal temperatura se mantuvo por poco tiempo. Al comparar los tiempos teóricos con los experimentales fue posible observar que numéricamente se acercan, pero para el caso de la salsa de tomate no se logra el objetivo de lograr una destrucción cercana a la totalidad de los microorganismos debido a que el tiempo experimental fue me nor al teórico. Cabe destacar que todos los valores obtenidos presentan ciertos errores debidos a la falta de información específica para el microorganismo, por lo que al tenerse tales datos los resultados podrían acercarse más a la realidad.
16
Capítulo 5
BIBLIOGRAFIA
Awuah, G., Ramaswamy, H., & Economides, A. (2007). Thermal processing and quality: principles and overview. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 46 (6), 584-602. Brennan, J., Butters, J., Cowell, N., & Lilley, A. (1980). Las operaciones de la ingenieria de los alimentos. España: Acribia Editorial.
Cambiano, M. (2000). Fundamentos de la Ester ilización HTST y UHT. Journal of Food, 4(3), 69-76. Deák, T. (2014). Food Technologies: Pasteurization. Foods, Materials, Technologies and Risks, 3 , 219224. Karel, M., & Lund, D. (2003). Physical Principles of Food Preservation. New York: Marcel Dekker. Ministerio de Salud. (2001). De las especies, condimentos y salsas. En Reglamento Sanitario de los Alimentos (pág. 139). Chile.
Potter, N. (1968). Food Science. New York: Springer. Tijskens,
L.,
&
Schijvens,
E.
(1987).
Preservation
criteria
based
on
texture
kinetics
Bundesforschungsanstalt für Ernahrung Karlsruhe. En Influence of HTST Treatments on Product
Quality
and
Nutritive
Value
of
Bundesforschungsanstalt für Ernahrung Karlsruhe.
Food
and
Feed
(págs.
84-102).
17
ANEXO Calculo del tiempo de pasteurización por el método integral.
1. Cálculo de k max A partir de la siguiente ecuación, es posible estimar el valor de referencia k max. k (T )
k máx * e
Ea R*T
Con el valor conocido de k121°C y de la energía de activación (68 [kcal/mol]) se tiene que: k (121C )
k máx * e
68000 1, 987*(121 273)
Despejando k max se obtiene que: k máx
3,04 10 39 [min-1]
2. Cálculo de k a la temperatura de mantención. Con la misma ecuación anterior es posible calcular los k 58°C para el jugo de naranja y k 56°C para la salsa de tomate, obteniéndose lo siguiente: k (58C )
k (56C )
k máx * e k máx * e
68000 1 , 987 *( 58 273 )
68000 1, 987*(56 273)
Con el valor de k max calculado anteriormente se obtiene: k ( 58 C )
6,34 x 10-6
k ( 56 C )
3,38 x 10-6
18
3. Valores de pH Tabla 1. Valores típicos de pH de alimentos
