Procesos de Conservación de Alimentos (2a. Ed.) ---- (Pg 6--189)

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Índice

3.1.1. 3.1. 1. Pa Pard rdea eami mien ento to no en enzi zimá máti tico co (R (Rea eacc cció iónn de de Mai Maill llar ard) d) . . . . . . . . . 3.1. 3. 1.2. 2. En Enra ranc ncia iami mien ento to de lo loss líp lípid idos os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Causas biológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.1. 1. En Enzi zima mass nat natur ural ales es de lo loss ali alime ment ntos os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.2. 2. Mi Micr croo oorrga gani nism smos os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1. 3.2.2. 1. Efec Efectos tos del metabolis metabolismo mo de los microorganis microorganismos mos en los alim al imen ento toss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.2. 2.2. 2. Or Orig igen en de lo loss mic micro roor orga gani nism smos os en lo loss ali alime ment ntos os . . . . . 3.2.2.3. Principales grupos de microorganism microorganismos os causantes causantes de altera te raci cion ones es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.2. 2.3. 3.1. 1. Ba Bact cter eria iass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.2. 2.3. 3.2. 2. Mo Moho hoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. 3. 2.2. 2.3. 3.3. 3. Le Leva vadu dura rass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

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4. CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS Y PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Reacción de orden cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Reacción de primer orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Efecto de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Determinación de los parámetros cinéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. APLICACIÓN DE LA CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS EN LA PREDICCIÓN Y CONTROL DE LA VIDA ÚTIL . .

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Capítulo Capítu lo II. MÉTODOS MÉTODOS INDUST INDUSTRIALE RIALESS DE CONSER CONSERV VACIÓ ACIÓN N DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1. FUNDAMENTOS DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . .

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2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DESARROLLO MICROBIANO 2.1. Incidencia del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Necesidades de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Potencial de óxido-reducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Sustancias inhibidoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3. PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Procedimientos basados en la disminución del pH . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Procedimientos basados en la reducción del agua disponible . . . . . . 3.3. Procedimientos basados en la variación del potencial de óxidoreducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Procedimie Procedimientos ntos basados en la utilización de sustancias inhibidoras 3.5. Procedimie Procedimientos ntos basados en la utilización de calor o frío . . . . . . . . . 3.6. Procedimie Procedimientos ntos basados en la aplicación de varios principios . . . .

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4. MÉTODOS INDUSTRIALES DE CONSERVACIÓN . . . . . . . . . . . . . . .

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BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Casp, Vanaclocha, Ana, and Requena, José Abril. Procesos de conservación de alimentos (2a. ed.), Mundi-Prensa, 2003. ProQuest Ebook Central, http://ebookcentral.proquest.com/lib/unadsp/detail.action?docID=3176331. Created from unadsp on 2018-02-17 13:04:27.

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Índice

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PARTE II MÉTODOS BIOLÓGICOS DE CONSERVACIÓN Capítulo Capítu lo III. CONSE CONSERV RVACIÓ ACIÓN N POR POR FERM FERMENT ENTACIÓN ACIÓN . . . . . . . .

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1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. MICROORGANISMOS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Levaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Bacterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. 2. 2.1. 1. Ba Bact cter eria iass lác lácti tica cass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. 2. 2.2. 2. Ba Bact cter eria iass acé acéti tica cass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Mohos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3. EL PROCESO DE FERMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1011

FERMENTACIONES ACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. TIPOS DE FERMENT 4.1. Glicolísis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 4. 3.1.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón hom homol olác ácti tica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. 4.3. 2. Fer Fermen mentac tación ión het hetero erolác láctic ticaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Otras fermentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 4. 4.1.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón ac acét étic icaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. 4.4. 2. Fer Fermen mentac tación ión mal malolá olácti ctica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. 4.4. 3. Fer Fermen mentac tación ión mal maloal oalcoh cohóli ólica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 4. 4.4.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón pr propi opióni ónica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5 4. 4.5.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón but butír íric icaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 4. 4.6.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón 2, 2,3-b 3-but util ilen engl glic icol ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7 4. 4.7.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón ác ácid idoo-mi mixt xtaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Productos derivados del ácido pirúvico producido en la glicolísis . . . . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

102 102 102 1055 10 1088 10 1099 10 109 111 111 112 113 113 114 115 115 116

5. APLICACIONES DE LOS PROCESOS FERMENTA FERMENTATIVOS TIVOS A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1. Productos derivados de la fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2. Productos derivados de la fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1211

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 PARTE III CONSERVACIÓN CONSERV ACIÓN POR CALOR C ALOR Capítu Cap ítulo lo IV IV.. FUNDAMENTOS DE LOS LOS TRAT TRATAMIENTOS TÉRMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2. CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS


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PARTE II MÉTODOS BIOLÓGICOS DE CONSERVACIÓN Capítulo Capítu lo III. CONSE CONSERV RVACIÓ ACIÓN N POR POR FERM FERMENT ENTACIÓN ACIÓN . . . . . . . .

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1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. MICROORGANISMOS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Levaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Bacterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. 2. 2.1. 1. Ba Bact cter eria iass lác lácti tica cass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. 2. 2.2. 2. Ba Bact cter eria iass acé acéti tica cass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Mohos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3. EL PROCESO DE FERMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1011

FERMENTACIONES ACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. TIPOS DE FERMENT 4.1. Glicolísis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 4. 3.1.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón hom homol olác ácti tica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. 4.3. 2. Fer Fermen mentac tación ión het hetero erolác láctic ticaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Otras fermentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 4. 4.1.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón ac acét étic icaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. 4.4. 2. Fer Fermen mentac tación ión mal malolá olácti ctica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. 4.4. 3. Fer Fermen mentac tación ión mal maloal oalcoh cohóli ólica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 4. 4.4.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón pr propi opióni ónica ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5 4. 4.5.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón but butír íric icaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 4. 4.6.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón 2, 2,3-b 3-but util ilen engl glic icol ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7 4. 4.7.. Fe Ferm rmen enta taci ción ón ác ácid idoo-mi mixt xtaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Productos derivados del ácido pirúvico producido en la glicolísis . . . . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

102 102 102 1055 10 1088 10 1099 10 109 111 111 112 113 113 114 115 115 116

5. APLICACIONES DE LOS PROCESOS FERMENTA FERMENTATIVOS TIVOS A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1. Productos derivados de la fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2. Productos derivados de la fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1211

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 PARTE III CONSERVACIÓN CONSERV ACIÓN POR CALOR C ALOR Capítu Cap ítulo lo IV IV.. FUNDAMENTOS DE LOS LOS TRAT TRATAMIENTOS TÉRMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2. CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS


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2.1. Efecto del tiempo de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.2. Efecto de la temperatura de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1311 2.3. Modelos más complejos de destrucción térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1355 3. ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Acción sobre el agua de constitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Acción sobre los lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Acción sobre los glúcidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Acción sobre las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Acción sobre las vitaminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Estudio en conjunto: efecto de la cocción sobre las propiedades organolépticas de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 3.6 .1.. Pr Prod oduc ucto toss de de ori orige genn ani anima mal: l: ca carn rnes es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 3.6 .2.. Pr Prod oduc ucto toss de or orig igen en veg veget etal al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Cinética de los cambios en los constituyentes de los alimentos . . . . .

136 1366 13 136 137 137 138 138 138 139 13 9

4. CUANTIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS . . . . . . . 142 5. CINÉTICA DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN LOS PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145


6. CÁLCULO DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO

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7. PREDICCIÓN DEL D EL VALOR VALOR ESTERILIZADOR EST ERILIZADOR DE UN TRA TRAT TAMIENTO 7.1. Simulación de la curva de penetración de calor para un producto que se caliente por convección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Simulación de la curva de penetración de calor para un producto que se caliente por conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Simulación de la curva de penetración de calor para productos sólidos envasados en líquido de cobertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

152 152 154 1577 15

8. OPTIMIZACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO . . . . . . . . . . . . . . . 158 8.1. Determinación del tratamiento térmico capaz de conseguir la estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 8.2. Elección de las condiciones de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1600

Capítul Cap ítuloo V. PAST ASTEUR EURIZA IZACIÓ CIÓN N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 2. ELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE PASTEURIZACIÓN . . . . . . 164 3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE LÍQUIDOS SIN ENVASAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Generalidades sobre cambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 3.1 .1.. Ci Circ rcul ulac ació iónn de lo loss flui fluidos dos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 3. 1.1.1 .1.. Fl Fluj ujoo en co cont ntra raco corr rrie ient ntee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 3. 1.1.2 .2.. Fl Fluj ujoo en en par paral alel eloo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 3.1 .2.. Tra rans nsmi misi sión ón de de cal calor or . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Cambiadores de calor tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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3.2.1. Cambiadores de tubos coaxiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Cambiadores de superficie rascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Cambiadores multitubulares de envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Cambiadores de calor de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Tipos de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Circulación de fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Placas de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Equipos completos para la pasteurización en continuo de líquidos sin envasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169 171 172 174 174 175 178 178

4. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.1. Pasteurizadores por inmersión en baño de agua . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.2. Pasteurizadores por lluvia de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Capítulo VI. ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 2. PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS DE ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 3. EQUIPOS EMPLEADOS EN EL ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Escaldadores por vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Escaldadores por vapor con cortinas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Escaldador por vapor con cierres hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Escaldador en lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Escaldadores por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

187 187 188 188 189 189

Capítulo VII. ESTERILIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195


2. ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Sistemas de esterilización por carga s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Calentamiento por vapor de agua saturado . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Calentamiento por mezcla de vapor de agua-aire . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Calentamiento por agua sobrecalentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Calefacción por inmersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Calefacción por lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Alimentación automatizada de los autoclaves . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistemas continuos de esterilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Esterilizadores hidrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Esterilizadores neumohidrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Esterilizadores continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Esterilizadores por llama directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196 196 197 199 205 206 208 211 211 212 218 220 226

3. ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS SIN ENVASAR . . . . . . . . . . . . . . 228 3.1. Sistemas directos de esterilización UHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 3.1.1. Proceso por inyección de vapor en el producto . . . . . . . . . . . . . . 229


12

Índice

3.1.2. Proceso por inyección del producto en vapor . . . . . . . . . . . . . . . . 230 3.2. Sistemas indirectos de esterilización UHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Capítulo VIII. COCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 2. SISTEMAS DE COCCIÓN POR CARGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 2.1. Hornos de cocción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 2.2. Marmitas de cocción abiertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 3. SISTEMAS CONTINUOS DE COCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Por inmersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Por extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Fundamentos de la cocción-extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Los extrusores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235 235 235 235 236

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 PARTE IV CONSERVACIÓN A TEMPERATURAS BAJAS Capítulo IX. UTILIZACIÓN DE BAJAS TEMPERATURAS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . 245 1. APLICACIÓN DEL FRÍO A LA CONSERVACIÓN DE PRODUCTOS PERECEDEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245


2. PRODUCCIÓN DE FRÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Sistemas mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Principio de funcionamiento de la máquina frigorífica de compresión de un vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Producción de temperaturas bajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistemas criogénicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

247 247 247 251 256

Capítulo X. REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 1. OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . 1.1. Frutas y hortalizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Respiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Transpiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Producción de etileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Desarrollo de microorganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Carnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Modificaciones físicas durante la refrigeración . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Modificaciones durante la refrigeración debidas a microorganismos

259 259 259 260 261 262 263 264 265

2. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 2.1. Enfriamiento por aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269


Índice

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2.1.1. Enfriamiento en cámara frigorífica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Enfriamiento por presión de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Túneles de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Enfriamiento del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Enfriamiento por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Enfriamiento del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Ventajas del enfriamiento por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Equipos para el enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Ventajas del enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

271 272 273 273 273 274 275 275 280 282

3. CONSERVACIÓN EN REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Circulación del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Incompatibilidad entre los productos almacenados . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Sistema de estiba y densidad de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Renovaciones de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

282 282 283 283 285 286 288

Capítulo XI. CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289


1. EL PROCESO DE CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Subenfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Nucleación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Crecimiento de los cristales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Recristalización durante el almacenamiento del congelado . . . . . . . . 1.5. El estado vítreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

289 289 290 291 292 293

2. EFECTOS DE LA CONGELACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS . . . . . 2.1. Modificación de la estructura por efecto de la congelación . . . . . . . . 2.1.1. Daños mecánicos provocados por el incremento de volumen del agua al congelarse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Daños mecánicos provocados por la migración del agua . . . . . . . 2.2. Daños causados por los cambios en la disposición de los solutos . . . 2.3. Influencia de la congelación sobre la flora de los alimentos . . . . . . .

295 295 295 296 296 296

3. PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . 298 4. MODIFICACIONES DE LA CALIDAD DEL PRODUCTO DURANTE SU ALMACENAMIENTO EN CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Alteraciones de la calidad debidas a fenómenos físicos . . . . . . . . . . . 4.2. Alteraciones de la calidad debidas a fenómenos químicos . . . . . . . . . 4.3. Efecto combinado del tiempo y de la temperatura durante el almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Factores PPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Factor producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Factor proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Factor embalaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

303 303 303 305 306 306 306 307

5. EQUIPOS PARA LA CONGELACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . 308


14

Índice

5.1. Congeladores por contacto directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1. Congeladores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2. Congeladores de bandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3. Congeladores de tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Congeladores por aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Túneles de congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Congeladores de banda transportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Congeladores de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Congeladores criogénicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

308 308 310 311 312 312 314 316 328

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 PARTE V PROCESOS DE CONSERVACIÓN BASADOS EN LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA Capítulo XII. SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 2. FUNDAMENTOS DE LA ELIMINACIÓN DE AGUA . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Actividad de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Mecanismos de la eliminación de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Eliminación de agua por vía mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Eliminación de agua por vía térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

326 327 331 331 331

3. PROCESO BÁSICO DE SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 4. PERÍODOS DE SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 5. PREPARACIÓN DE LOS PRODUCTOS PARA EL SECADO . . . . . . . . 338 6. ENVASADO Y ALMACENAMIENTO DEL PRODUCTO DESHIDRATADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

7. MODIFICACIONES PRODUCIDAS EN EL PRODUCTO CON LA DESHIDRATACIÓN Y ALMACENAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Alteraciones de naturaleza química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. Reacciones de oxidación de los lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. Pardeamiento enzimático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3. Reacciones de Maillard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4. Otras alteraciones de los constituyentes de los productos . . . . . . 7.2. Alteraciones de naturaleza física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Cambios de estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Otras alteraciones de naturaleza física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

340 341 341 342 343 343 344 344 347

8. SISTEMAS DE DESHIDRATACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Secado al sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Secado solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1. Secaderos solares naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

348 349 350 351


8.3.

8.4.

8.5.

8.6.


Índice

15

8.2.1.1. Secaderos solares directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1.2. Secaderos solares indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2. Secaderos solares semiartificiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3. Secaderos solares asistidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Secado por gases calientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1. Secaderos de horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2. Secaderos de bandejas o de armario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3. Secaderos de túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.4. Secaderos de cinta transportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.5. Secaderos rotatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6. Secaderos de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.7. Secaderos por arrastre neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.8. Secaderos por atomización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Secaderos por conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1. Secaderos de bandejas a vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2. Secaderos de tornillo sinfín . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.3. Secaderos de rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros métodos de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1. Secaderos Foam Mat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2. Secado por explosión (Explosion puffing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.3. Secado por microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.4. Deshidratación osmótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1. Fundamentos de la liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2. Ciclo de liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.1. Acondicionamiento de la materia prima . . . . . . . . . . . . 8.6.2.2. Congelación del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.3. Sublimación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.4. Desorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.5. Almacenamiento después del secado . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.6. Rehidratación y uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.3. Transferencia de calor y transferencia de masa . . . . . . . . . . . . . . 8.6.4. Equipos de liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

351 351 351 353 354 354 355 357 360 361 362 368 370 378 378 379 379 383 383 383 383 384 385 387 390 391 391 392 394 396 396 396 398

Capítulo XIII. CONCENTRACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 1. TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 2. EVAPORACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Principios generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Vaporización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Características del líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Coeficientes de transmisión de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Coeficiente global de transmisión de calor . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Aumento del punto de ebullición . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.3. Efecto de las incrustaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Características de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Componentes de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


401 401 404 405 407 407 408 409 410 410

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Índice

2.2.1.1. Intercambiador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2. Mecanismo de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3. Separador vapor-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.5. Producción de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.6. Precalentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Configuraciones de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1. Evaporador de simple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2. Evaporador de múltiple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Conservación de la energía y recompresión de vapor . . . . . . . . . 2.2.3.1. Recompresión térmica del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.2. Recompresión mecánica del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Tipos de evaporadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Evaporadores de tubos verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1. Evaporadores de tubos verticales cortos . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2. Evaporadores de tubos verticales largos . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2.1. Evaporadores de película ascendente . . . . . 2.3.1.2.2. Evaporadores de película descendente . . . . 2.3.1.2.3. Evaporadores de película mixta . . . . . . . . . . 2.3.2. Evaporadores de superficies calefactoras móviles . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1. Evaporadores de serpentín rotativo . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2. Evaporadores centrífugos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Evaporadores de superficies calefactoras fijas . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1. Evaporadores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.2. Evaporadores de conos invertidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.3. Evaporadores de camisa de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . .

410 410 410 411 411 411 412 412 415 417 417 419 421 421 421 425 425 427 430 431 431 432 433 433 436 437

3. CONCENTRACIÓN POR CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Principios generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Depresión del punto de congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Pretratamiento de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Viscosidad del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Velocidad de cristalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Tipos de concentradores por congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Unidad de cristalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.1. Congeladores de contacto directo . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.2. Congeladores de contacto indirecto . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Mecanismo de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

440 440 442 442 443 443 444 444 444 445 445 446

4. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Aplicaciones en la industria alimentaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Principios de la separación por membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Técnicas utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Proceso de separación por membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Ósmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

447 447 447 449 449 449 452 452


Índice

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4.4.1.1. Polarización de concentración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.2. Flujo en ósmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Ultrafiltración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.1. Flujo en ultrafiltración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Sistemas de membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Módulos o cartuchos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.1. Diseño de placas y bastidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.2. Diseño tubular: a base de polímeros . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.3. Diseño enrollado en espiral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.4. Diseño de fibra hueca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Calidad de los alimentos en las separaciones por membrana . . . . . .

456 458 458 459 461 461 461 462 463 463 464 465

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 PARTE VI PROCESOS NO TÉRMICOS DE CONSERVACIÓN Capítulo XIV. TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471


2. ALTAS PRESIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Descripción del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Efectos biológicos de las altas presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Presurización de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Zumos de frutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Confituras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Leche y productos lácteos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Huevos y ovoproductos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5. Otras posibles aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

472 472 473 474 474 475 476 476 477

3. CAMPOS ELÉCTRICOS PULSANTES DE ALTA INTENSIDAD . . . . 477 3.1. Sistema de procesado por campos eléctricos pulsantes de alta intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 3.2. Efectos biológicos de los campos eléctricos pulsantes . . . . . . . . . . . . . 478 4. CAMPOS MAGNÉTICOS OSCILANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 5. PULSOS LUMINOSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 5.1. Descripción del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 5.2. Aplicación de los pulsos luminosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 6. IRRADIACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 7. PRODUCTOS QUÍMICOS Y BIOQUÍMICOS UTILIZADOS EN CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486


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Índice

7.1. Sustancias antimicrobianas presentes naturalmente o formadas en el alimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Productos químicos con propiedades antimicrobianas . . . . . . . . . . . 7.2.1. Ácidos orgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Anhídrido sulfuroso y sulfitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Nitritos y nitratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Productos químicos con propiedades multifuncionales . . . . . . . . . . . 7.3.1. Especias y aceites esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2. Antioxidantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Bacteriocinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

486 488 488 489 489 490 490 490 491

8. MÉTODOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . 491

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



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Panorama histórico de la conservación de alimentos 1. ORÍGENES DE LOS PROCESOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS


Todos nuestros alimentos derivan de las plantas o de los animales, son por lo tanto de origen biológico y es, precisamente, esta naturaleza biológica la causa del desarrollo de una serie de transformaciones que no solo modifican sus características originales, sino que llegan a producir su deterioro. En estas transformaciones se incluyen reacciones químicas y bioquímicas, pero además, los alimentos que el hombre utiliza, son también adecuados para muchos de los microorganismos que abundan en el suelo, en el agua y en el aire, por lo tanto en el deterioro de los alimentos intervienen también procesos microbianos. La conservación comercial de alimentos no se estableció hasta principios del siglo XIX, después de una serie de descubrimientos que permitieron sentar las bases científicas y técnicas para dicha conservación, sin embargo, a pesar del completo desconocimiento que se tenía en la antigüedad de las causas de degradación de los alimentos, nuestros antepasados desarrollaron muchos métodos de conservación más o menos efectivos, que se emplearon durante cientos de años. Las técnicas primitivas de conservación se desarrollaron a partir de la experiencia y de la necesidad, el hombre utilizó, según el hábitat en que vivía, diferentes formas de conservación de sus alimentos. En climas fríos, el invierno era tiempo de escasez, después de la cosecha del verano y otoño anteriores se disponía de pocos alimentos frescos hasta la primavera siguiente. Además, con esta falta de alimentos frescos durante el invierno, no sólo era difícil para el hombre alimentarse a sí mismo, sino que también era imposible mantener el ganado, en consecuencia, una parte importante del mismo era sacrificada antes de la llegada del invierno, para comer frescos los cortes más apetecibles y el resto se conservaba en las mejores condiciones posibles para los meses de carestía siguientes. Los métodos más comunes de conservación fueron secado,


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Procesos de conservación de alimentos

ahumado, salado, encurtido y, cuando las temperaturas eran suficientemente bajas, congelación. Con frecuencia, varios de estos métodos se utilizaban combinados, muchas veces inconscientemente, para obtener un producto que se mantuviera mejor que el conservado por un único método. Por ejemplo, la carne y el pescado se conservaban por una combinación de deshidratación y ahumado, y en el caso del pescado por encurtido también, la variación de las proporciones de ahumado, encurtido y secado producían una gran variedad de productos diferentes. Algunos descendientes de estos productos sobreviven todavía. Los alimentos tradicionalmente conservados en las áreas del Norte eran carnes y pescados secados, salazonados y ahumados, frutas y hortalizas secadas, encurtidas o fermentadas y conservadas como confituras y mermeladas. En los climas tropicales no surgían las necesidades de conservación de alimentos durante el invierno, pero aquí el problema era precisamente el contrario: se disponía de alimentos frescos todo el año que se deterioraban rápidamente con el calor, con frecuencia antes de que pudieran ser consumidos. En los climas cálidos, la forma más conveniente de conservar los alimentos era favorecer el desarrollo de bacterias u otros microorganismos inofensivos que excluyeran a aquellos que pudieran ser la causa de que el alimento se convirtiera en perjudicial o incomestible. Este proceso se conoce hoy como fermentación y el ejemplo más conocido era indudablemente la producción de alcohol a partir de azúcar por las levaduras. Existían, sin embargo, muchos otros procesos de fermentación utilizados para la conservación de alimentos. En los climas templados, la leche se hacía incomestible muy rápidamente, por esta razón se utilizaron distintas fermentaciones para su conservación, el queso y el yogur son los resultados de este proceso. La col ácida (col fermentada) y las aceitunas verdes son también ejemplos de un proceso de fermentación, en el cual las bacterias producen una concentración tan alta de ácido en el alimento (fermentación láctica) que impide el desarrollo de otros microorganismos. El encurtido de alimentos en vinagre tiene un efecto similar a la fermentación, en lugar de esperar la formación de ácido por acción microbiana, se añade dicho ácido al alimento fresco. Normalmente se aplicó a hortalizas, pero también fue tradicional en algunas zonas la conservación por este sistema de carnes y pescados. Los productos típicos conservados en las zonas cálidas eran leches fermentadas, quesos, carnes, pescados y frutas secados al aire. La leche, un elemento importante en la dieta, se deteriora rápidamente en climas cálidos, como se ha dicho, por lo tanto el hombre en su interés de conservarla propició la aparición de diferentes productos lácteos, además del yogur o los quesos, ya citados, también la mantequilla que alcanzó gran importancia hace ya cientos de años, o utilizó, a menudo de forma inconsciente, como método de conservación la producción de antibióticos en los alimentos por mohos, por ejemplo el moho Penicillium en la producción de quesos azules, como el Roquefort, que produce un antibiótico que inhibe el desarrollo de algunas bacterias. Este tipo de moho aparece también en el jamón y en algunos embutidos.


Panorama histórico de la conservación de alimentos


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La conservación de alimentos a gran escala más antigua que se conoce se practicó en el antiguo Egipto, dónde se utilizó para la provisión de cantidades suficientes de grano seco como seguro para el fallo de las avenidas del Nilo. Se almacenaban grandes cantidades de grano en silos cerrados, donde permanecían varios años sin excesivo deterioro, aunque la práctica normal era utilizar cada año el grano que más tiempo llevaba almacenado que era reemplazado por el fresco. Los Romanos también fueron capaces de conservar numerosos alimentos. Entre los hechos más interesantes de la época de Pompeyo se pueden citar las confituras de frutas conservadas en miel, la miel proporcionaba una concentración de azúcar suficientemente alta para inhibir el crecimiento de los microorganismos que normalmente atacan a las frutas. El vino también fue un hecho normal en el comercio y en la dieta de Roma, así como varios tipos de salsas fermentadas y embotelladas. Los métodos tradicionales de conservación de alimentos se desarrollaron por prueba y error y conducían a productos de características variables y de inconsistente vida útil. Aunque estos métodos fueron refinándose con el paso del tiempo, muchos de ellos no producían un alimento adecuadamente conservado que fuese además nutritivo y apetitoso. Ninguno fue capaz de conservar todos los alimentos y en general estaban muy limitados a productos específicos. Fue hacia finales del siglo XVIII cuando la industrialización y los largos viajes por mar produjeron la necesidad de conseguir que los métodos de conservación de alimentos fueran aplicables a productos muy diferentes. En la historia de la conservación de alimentos hay un punto de inflexión alrededor del año 1860. Antes de esa fecha, los alimentos conservados eran caros, usados por los ricos y por las expediciones navales, producidos en áreas urbanas y en consecuencia no contribuían en la alimentación de los pobres. Es a partir de 1860, cuando los alimentos conservados comienzan a producirse donde la materia prima era barata y abundante, por ejemplo en Australia y América del Sur, desde donde se exportaban a Europa. La introducción de las técnicas de producción en masa a partir de 1860 tiene como consecuencia una reducción rápida de los costes de los alimentos conservados. Casi al mismo tiempo, comienzan a conocerse las causas del deterioro microbiano de los alimentos y los procesos empíricos de la tecnología de alimentos empiezan a apoyarse en bases científicas. Aunque el incremento de las poblaciones urbanas creó la necesidad real de mejorar los alimentos conservados, fue la demanda de los marineros la que produjo las actuales mejoras. En los largos viajes del descubrimiento del Ártico y de las antípodas a Europa, dónde habían pocas oportunidades de encontrar alimentos frescos, muchas expediciones fracasaron por los problemas siempre presentes de malnutrición en el mar y como consecuencia de los efectos sobre la salud de una dieta de carne salada y galletas, sin frutas y hortalizas frescas. Puesto que las exploraciones fueron importantes para el prestigio de las principales naciones europeas a principios del siglo XIX, tanto los


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gobiernos como los patrocinadores comerciales de dichas expediciones, tuvieron más interés en mejorar la dieta naval que la dieta de los pobres en tierra. De todas las manifestaciones de malnutrición en los viajes marítimos, el escorbuto fue la más temida, por lo tanto es natural que fuese la primera enfermedad nutricional científicamente investigada. A lo largo del siglo XIX encontramos que muchos de los alimentos conservados que fueron mejorados, lo fueron por sus propiedades antiescorbúticas.

2. NICOLÁS APPERT Y LOS ORÍGENES DE UNA INDUSTRIA


Aunque el embotellado de frutas fue practicado a escala doméstica desde principios del siglo XVII, el proceso comercial de la conservación de alimentos por esterilización, aplicado a otros productos además de las frutas, fue desarrollado por Nicolás Appert, un pastelero de Massy cerca de París, a principios del siglo XIX. Después de trabajar como aprendiz, Appert se estableció en la Rue des Lombards en París alrededor del año 1780 y prosperó allí hasta 1795, durante este tiempo comenzó las experiencias que cambiaron completamente el procesado de alimentos. Posiblemente, sus ideas tuvieron origen en las recetas publicadas para el embotellado casero de frutas, adaptándolas a la conservación de otros alimentos (carnes, hortalizas, sopas, leche, etc.). Esta adaptación realmente no fue fácil, puesto que los microorganismos de importancia en las frutas envasadas se destruyen mucho más rápidamente que en los otros productos. Desde luego, Appert no tenía conocimientos de bacteriología, pero con cuidadosos y extensos experimentos sentó él sólo las bases para el comienzo de una industria. A partir de observaciones completamente empíricas, llegó a conclusiones correctas sobre el tiempo de calentamiento necesario para conseguir el efecto de conservación y, sorprendentemente, fue muy insistente en la necesidad de extremar las condiciones higiénicas, que entonces estaban lejos de ser consideradas como criterio universal en la manipulación de alimentos. Nicolás Appert publicó en 1810 un libro titulado “LÁrt de Conserver pendant plusieurs années, toutes les substances animales et végétales” (figura 1), que rápidamente tuvo un éxito internacional, la edición alemana se publicó el mismo año que la francesa, el año siguiente las ediciones inglesa y sueca y en 1812 la americana y la segunda edición inglesa. Se ha dicho que Appert recibió un premio de 12.000 francos por su descubrimiento, pero en realidad fue el pago por la publicación de su método, como era la práctica común del Gobierno Francés en esa época. Muchas mejoras de este proceso de conservación, incluyendo la introducción de los botes metálicos, fueron trabajo de otros, pero fue Appert quien demostró que se pueden producir alimentos conservados, seguros y de calidad aceptable, calentándolos en recipientes cerrados.




Figura 1.–Primera página de la primera edición del libro de Appert.


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Desde el principio, los alimentos envasados estuvieron a disposición del público en general, pero el muy alto coste de producción hizo que durante muchos años se destinaran sólo a los ricos. No fue hasta la última mitad del siglo XIX cuando se utilizaron domésticamente en cantidades significativas. Los principales consumidores de los alimentos envasados fueron las expediciones navales y, junto con otras mejoras en la dieta especialmente el uso de antiescorbúticos, desempeñaron un importante papel en el éxito de dichas expediciones. En 1810, Gay-Lussac examinó los gases contenidos en los botes producidos por el método de Appert y encontró pequeñas cantidades de oxígeno. Louis Gay-Lussac, era uno de los miembros más influyentes de la “Société dÉncouragement pour lÍndustrie Nationale”, llegando a ser el miembro dominante del “Comité de la Sociedad de Conservación de Alimentos”. En 1809, a la edad de 31 años era ya profesor en la Alta Escuela Politécnica de París, donde realizó experiencias sobre la combustión de hidrógeno en oxígeno, cuya resultante fue la promulgación de la Ley que lleva su nombre. Era pues un estudioso preeminente de los gases, implicado en la conservación de alimentos. Las observaciones citadas antes le llevaron a proponer una teoría algo nebulosa y errónea para explicar la efectividad del método de Appert. Aunque el oxígeno desempeña un pequeño papel en el deterioro de algunos alimentos, su acción es normalmente de poca importancia comparada con la de los microorganismos, que son destruidos por calentamiento de botes o botellas. Gay-Lussac no conocía nada de bacterias, pero ciertamente hoy se elimina cualquier traza de aire de los botes antes de procesarlos, esta eliminación del aire previene entre otras cosas las presiones excesivas durante el procesado, que pueden distorsionar o incluso romper los envases, pero sólo representa una pequeña parte en la actual conservación. El año 1850 marcó el final de la primera fase de desarrollo de la industria de conservación y el principio de un periodo de expansión, de producción en masa y de conocimiento de los principios científicos de los métodos utilizados. En la segunda mitad del siglo XIX se introdujeron muchas mejoras en el campo de los productos envasados y muchos de los alimentos envasados en botes metálicos o en botellas que conocemos hoy se producían ya entonces y, generalmente, con buena calidad. La primera mejora importante en el proceso de embotado fue patentada en 1840, cuando John Wertheimer comprobó que incrementando la temperatura de calentamiento de los alimentos envasados, se reducía considerablemente el tiempo de tratamiento y se conseguía una mejora notable de la calidad. En 1841 Stephan Goldner y John Wertheimer presentaron dos patentes para el calentamiento de los botes con alimentos en baños con soluciones salinas, cuyo punto de ebullición se situaba a temperaturas superiores a 100ºC, su principio era simple, cuando se añade sal al agua, el punto de ebullición de la solución es más alto que el del agua sola y depende de la concentración de la sal. Los baños de cloruro cálcico se consideraron rápidamente como el método



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estándar de calentamiento de los botes, debido a que permitían una considerable reducción de los tiempos de calentamiento, pasando de 4-5 horas a 1 hora. Es sorprendente que Goldner y Wertheimer decidieran utilizar temperaturas del orden de 132 a 150ºC, puesto que los riesgos de explosión de los botes a estas temperaturas eran considerables. El calentamiento de los botes a temperaturas tan altas en baños de cloruro cálcico, produce en su interior altas presiones que pueden llegar a deformar los envases y hasta hacer saltar los cierres. La solución que se dio a este problema, fue calentar los botes en un recinto cerrado que contuviera vapor a presión, un autoclave, de esta forma la presión desarrollada en el interior del bote se contrarresta con la del vapor del interior del recinto y el riesgo de explosión se reduce. La primera patente de un autoclave específico para calentar botes de alimentos se debe a un sucesor de Appert, Raymond Chevallier-Appert. En la segunda mitad del siglo XIX se introdujeron múltiples mejoras, no sólo en el desarrollo de los autoclaves sino también en los envases, mejoras que han continuado en el siglo XX, hasta llegar a los diferentes equipos y tipos de envases que se conocen hoy día.

3. DETERIORO MICROBIANO DE LOS ALIMENTOS


La investigación más antigua en el mundo microbiológico fue realizada por Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), a quien se debe la construcción del microscopio que utilizó para describir muchas de las principales clases de microorganismos que hoy se conocen. Descubrió la presencia universal de los microorganismos, pero la gran importancia de su descubrimiento en las enfermedades y deterioro de los alimentos, no fue apreciada hasta ciento cincuenta años después de su muerte. La mayor contribución al conocimiento de la resistencia al calor de las esporas de las bacterias la hizo, de forma parcialmente accidental, el físico inglés John Tyndall en 1876, al realizar experiencias con una cámara a través de la cual pasa un rayo de luz. Después de un número considerable de experimentos, Tyndall encontró que cinco minutos de calentamiento, que hasta entonces se habían considerado suficientes para prevenir el desarrollo de microorganismos, no era suficiente, dando como explicación la presencia de organismos mucho más resistentes al calor que los conocidos antes. Los tubos que contenían los nuevos organismos requerían para su esterilización cinco horas y media. Tyndall dedujo correctamente que algunas bacterias pueden producir cuerpos (“endosporas”) increíblemente resistentes al calor y distinguibles al microscopio. Son estas esporas las responsables de las dificultades de esterilización de los botes de alimentos, mientras que las células vegetativas normales de los organismos son destruidas rápidamente a la temperatura de ebullición del agua.


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En 1864 el Dr. Calvert de Londres encontró una explicación para la putrefacción que mejoraba las anteriores, que implicaban únicamente al oxígeno, indicando que la putrefacción sólo se da en presencia de gérmenes pero que estos no se desarrollan más que en presencia de oxígeno. Luego la exclusión de ambos, gérmenes y oxígeno, contribuye al éxito de la conservación de alimentos. En esta misma época, Louis Pasteur estaba interesado en la conservación del vino por el calor. A diferencia de otros inventores de procesos de conservación de alimentos, primero investigó la microbiología del vino y después desarrolló un método basado en estos resultados. Su proceso fue de éxito tan espectacular que el término “Pasteurización” se ha aplicado al proceso en el cual se destruyen las bacterias indeseables pero el alimento no está completamente esterilizado. Pasteur después de haber desarrollado este proceso en agradecimiento a Nicolás Appert, indicó en la segunda edición de su libro “Études sur le Vin” (figura 2): “Cuando publiqué por primera vez los resultados de mi trabajo sobre la posibilidad de conservar el vino por calor, es evidente que hice una nueva aplicación del método de Appert y que Appert pensó el mismo proceso mucho antes que yo”. Pasteur fue generoso y modesto, aunque su método estuvo basado en la observación de la destrucción térmica de los microorganismos, lo aplicó a un producto muchísimo más complejo que cualquiera de los que Appert pudo producir. El vino es muy difícil de conservar por calor y pierde fácilmente su aroma y bouquet, pero Pasteur fue capaz de eliminar los microorganismos indeseables sin afectar demasiado al aroma del vino. En el último cuarto del siglo XIX la bacteriología alcanzó un gran desarrollo, realizándose múltiples investigaciones en el campo de la medicina, que llevaron a la conclusión de que muchas enfermedades eran causadas por bacterias, pero también se comprobó que algunos de dichos descubrimientos eran aplicables a la conservación de alimentos. Fueron identificados, descritos y clasificados y se hicieron crecer en laboratorio, muchos de los microorganismos responsables de las enfermedades, de la putrefacción y fermentación. En 1890 comienzan a ser aplicados en la industria alimentaria los grandes progresos de la microbiología médica y comienzan numerosas investigaciones específicas sobre el crecimiento de los microorganismos en los alimentos. A principios del siglo XX se progresó en la comprensión de la bacteriología de los alimentos, y así en 1920 se estableció el método para calcular con precisión el calor necesario en el procesado de un bote de alimento. Se establecieron dos aspectos esenciales de la destrucción térmica de las esporas de las bacterias, primero, el porcentaje de destrucción aumenta logarítmicamente con el incremento de la temperatura por encima de 90ºC y segundo, el número de organismos supervivientes disminuye logarítmicamente con el tiempo. El porcentaje de destrucción de las esporas de las bacterias depende no sólo de la temperatura sino también de la composición del medio en que son calentadas, principalmente la acidez entre otros factores. Una vez comprendido el efecto del tiempo y la temperatura sobre la destrucción térmica de las




Figura 2.–Primera página de la segunda edición del libro de Pasteur. Pasteur.


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bacterias, fue posible extrapolar esta información a la predicción del porcentaje de destrucción de las esporas en los botes de alimentos, en los que la temperatura varía con el tiempo. Tales métodos fueron propuestos por W. W. D. Bigelow y J. R. Esty y por C. C. Williams a principios del año 1920. Pocos años después C.O. Ball hizo ligeras modificaciones del método para simplificar su aplicación práctica, redefinió la “Dosis letal” de forma que tuviera el valor de la unidad a una temperatura arbitraria de referencia, usualmente 121,11ºC para alimentos de acidez baja que fuesen calentados a alta temperatura y 100ºC para los alimentos ácidos, como las frutas, que eran esterilizados en agua hirviendo. A temperaturas inferiores a la de referencia, la dosis letal tiene valores inferiores a la unidad y a temperaturas más altas dicho valor es mayor de la unidad. Utilizando la modificación de Ball, el área bajo la dosis letal/curva de tiempo era la letalidad del proceso en minutos equivalentes a la temperatura de referencia. Dado que el grado de destrucción de las esporas de las bacterias a la temperatura de referencia era conocida (por observaciones experimentales), podía estimarse la efectividad de un determinado proceso de esterilización. Para aplicar este método de cálculo, es necesario elegir como base de cálculo un microorganismo que forme esporas muy resistentes al calor. En los últimos años, se han desarrollado métodos para calcular los tiempos de calentamiento del proceso de tratamiento de alimentos envasados, en términos de cinética de las reacciones químicas. Estos métodos, aunque indudablemente son más precisos, no han sustituido generalmente al método de Ball. Otros trabajos recientes se refieren a la predicción del proceso de calentamiento no a partir de temperaturas observadas, sino basándose en el conocimiento de las propiedades térmicas y físicas del bote, de su contenido y del medio de calentamiento.


4. ORÍGENES Y DESARROLLO DEL FRÍO INDUSTRIAL El hombre comprendió pronto que sus alimentos se conservaban mejor al aire frío. El habitante del norte utilizaba el frío natural en estado puro al dejar congelar al aire libre el pescado que acababa de pescar o la caza que había matado, en cambio en Egipto se ayudaba a la naturaleza agitando un abanico para acelerar la vaporización del agua a través de vasos porosos o recogiendo a primera hora de la mañana la película de hielo formada por la noche. Por lo tanto, es sobre todo en la utilización del hielo natural en donde la intervención de la mano del hombre progresa a lo largo del tiempo. Primero fue la utilización del hielo o de la nieve próxima al lugar de la cosecha, después vino el almacenamiento del hielo recolectado en invierno con vistas a su utilización en la estación cálida. El hielo y la nieve eran transportados a grandes distancias, en la Roma Antigua, por ejemplo, desde los Apeni-




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nos y en la Alta Edad Media, caravanas de camellos traían nieve del Líbano a los palacios de los califas de Damasco o de Bagdad y a los sultanes del Cairo. Columela, nacido en Cádiz, (–4/+54) en su libro “De re rustica”, da indicaciones sobre la orientación y las disposiciones a adoptar en las construcciones para conseguir un ambiente fresco adecuado para la conservación de quesos, frutas, legumbres, etc. El poeta latino Marcial (+4/+104?), que vivió en España, hace observaciones sobre la conservación de frutas con el frío del invierno. En la Edad Media (hacia 1200), en España, existían reglamentos que prescribían ventilar las canales después del sacrificio y el “Libro de Alejandro” (hacia 1250), de un anónimo español, recomienda el sacrificio de los cerdos en invierno. El médico sevillano Nicolás Monardes en su “Tratado de la nieve y del beber fresco” (1574), revisa los modos de enfriar los alimentos utilizables en esa época: aire, nitrato sódico, nieve y subraya que la nieve impide la descomposición de las frutas, del pescado, de la carne, “cosa que no puede explicar ni comprender la inteligencia humana”. En el siglo siguiente, el español Baltasar Gracian, en 1651, describe el buen estado de las frutas conservadas en una gruta recorrida por una corriente de aire muy frío. También el médico madrileño Tomás de Murillo, en 1667, observa la influencia combinada de la temperatura y de la humedad sobre la conservación de alimentos, especialmente la humedad asociada al frío es la que da buenos resultados, mientras que asociada al calor provoca la descomposición. Otro tipo de productos conocidos desde la antigüedad son los helados, bebidas y postres a base de leche, agua, frutas, miel, etc., mezcladas con nieve, los antepasados de nuestros sorbetes existían ya en la China antigua (3000 años antes de Cristo), en Macedonia (Alejandro el Grande), Grecia (Hipócrates cita un helado de leche) o en Roma (Nerón apreciaba los sorbetes de frutas aplastadas, miel y nieve). En realidad fueron los países mediterráneos quienes extendieron el uso de postres helados a Europa, se dice que el califa de Bagdad transmitía sus fórmulas de sorbetes al califa de Córdoba, durante la dominación musulmana de España (siglos VIII y IX). A comienzos del siglo XI el sultán del Cairo utilizaba mucho la nieve del Líbano en sus cocinas para confeccionar sorbetes. Puede que fuera el gran viajante veneciano Marco Polo quien en sus viajes durante el siglo XIII trajese a Europa las recetas chinas. Con el uso de mezclas refrigerantes se pasa a una etapa que se puede considerar como intermedia entre el frío natural y el frío artificial. Se comprobó que añadiendo al agua ciertas sales, especialmente nitrato sódico, se hacía descender la temperatura de la mezcla. Se ignora la fecha de este descubrimiento, pero existen razones para pensar que el método se utilizaba en la India en el siglo IV y parece que fue el escritor es critor árabe Ibn Abi Usaibia el primero en hablar de mezclas refrigerantes. Antes del Siglo de las Luces es todavía demasiado pronto para hablar de ciencia del frío, pero se aprecian ciertos tímidos signos de avances en los siglos XVI y XVII. Así Blas de Villafranca utiliza por primera vez la palabra


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“refrigerar” en su obra de 1550 “Methodus refrigerandi ex vocato salenitro vinum aquamque”. En 1576, otro español, Francisco Sánchez habla de la similitud del calor y el frío y evoca el movimiento como causa del calor. Se puede considerar que el año 1755 como el “punto cero” de la historia del frío artificial. En la época anterior que podríamos llamar la “prehistoria del frío”, se pueden distinguir, como hemos visto, dos periodos, en el primero el hombre se contenta con utilizar el frío natural tal como se lo ofrece la naturaleza y en el segundo, el hombre “cultiva” ese frío natural, perfeccionando el uso que hacía de él. A partir de esta fecha el hombre sabe “fabricar” sus bajas temperaturas, y a lo largo de los 120 años que transcurren desde 1755 hasta 1875 se ponen a punto las primeras maquinas frigoríficas. Es entonces cuando William Cullen construye el primer aparato frigorífico, que es un dispositivo de laboratorio, que permite fabricar un poco de hielo por evaporación de agua bajo una campana a vacío; el primer fluido frigorífico utilizado fue por tanto el agua. El aparato citado será perfeccionado por los discípulos de Cullen, hasta llegar a las máquinas utilizadas en la práctica un siglo más tarde. La construcción de equipos frigoríficos se industrializa a partir de 1875 y se desarrolla muy rápidamente, en esa fecha existían sólo una decena de fabricantes en todo el mundo y hacia 1900 eran ya 120-150. En el periodo 1875-1914 se asiste al desarrollo del frío artificial, se sabe ya producir frío por todos los sistemas que hoy se aplican, y el empleo del frío se extiende, particularmente, debido a la importancia de tres sectores que contribuyeron de forma esencial a su desarrollo: la fabricación de hielo, la industria cervecera y el transporte de carne a través de los océanos. El hielo natural abre el camino al hielo artificial y todas las primeras máquinas frigoríficas que se utilizaron en la práctica entre 1845 y 1860, fueron para fabricar hielo que sustituyera al hielo natural, ya que el hielo natural tuvo una gran importancia, no sólo a nivel doméstico para tomar bebidas frescas o conservar algunos alimentos particularmente perecederos, sino también a nivel comercial e industrial. Al hablar de la evolución del frío artificial entre 1875 y 1914, hay que dedicar una mención especial a la industria cervecera. La razón es que en algunos países, antes del siglo XIX las industrias de cerveza eran grandes consumidoras de hielo natural, con todas las servidumbres que esto implicaba. Evidentemente cuando aparecieron las posibilidades del frío artificial estas industrias fueron las primeras interesadas, el frío mecánico se introduce en ellas bajo la forma de fabricación de hielo. Ciertamente, aunque se trataba de una actividad industrial restringida a la economía de determinados países, la industria cervecera absorbe en los años 1900-1910, en algunas regiones del mundo, una proporción considerable de la potencia frigorífica instalada: 70% en Suecia, 60% en Alemania y Austria, 50% en los Países Bajos, 40% en Francia y Dinamarca y 30% en Estados Unidos. Un gran número de las primeras máquinas frigoríficas concebidas por los grandes precursores, hacia 1860-1870, se instalaron en




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la industria cervecera, y, curiosamente, el frío en cervecería desempeña un papel determinante en el desarrollo racional y científico del sistema frigorífico de compresión. A principios del siglo XIX, en un cierto número de países, la industria cervecera utiliza la “fermentación baja” que exige una temperatura baja para la fermentación del mosto (6 a 8ºC) y para almacenar la cerveza (0 a 4ºC). Era necesario por tanto controlar la temperatura de esa fermentación, para fabricar cerveza de calidad, pues de lo contrario la fabricación sólo podía tener lugar en primavera y en otoño. En 1903, en Alemania hay 1500 industrias cerveceras dotadas de equipo frigorífico, en Francia al menos 100 y en 1915 el 93% de las 1350 industrias cerveceras de Estados Unidos disponen de frío mecánico. Aunque el sector cárnico desempeñó también, como se ha dicho, un papel importante en el desarrollo del frío artificial, el frío se introduce en este sector un poco más tarde que en la industria cervecera, de forma significativa hacia 1883. En esta segunda mitad del siglo XIX existía la necesidad de aprovisionar de carne a las regiones del mundo en curso de industrialización y con un crecimiento demográfico rápido, a partir de países nuevos que necesitaban exportar su muy abundante ganado y a partir del último cuarto del citado siglo XIX se ponen en marcha los mataderos frigoríficos de forma muy activa en Estados Unidos y en algunos países europeos. A principios del siglo XX, las tres actividades utilizadoras de frío citadas, fabricación de hielo, industria cervecera, comercio e industria de la carne, que fueron los motores esenciales del desarrollo del frío artificial en el último cuarto del siglo XIX, absorben en conjunto las tres cuartas partes de la potencia frigorífica instalada en el mundo. No obstante, en esta época, las aplicaciones del frío a la industria alimentaria se han ampliado, afectando a numerosos productos perecederos y a varias industrias de la alimentación. Así, alrededor de 1900, se han iniciado ya la mayor parte de las técnicas frigoríficas que actualmente se utilizan, después se han perfeccionado y extendido, aunque en su mayor parte, estas aplicaciones eran todavía muy dispersas, poco organizadas y algunas veces puntuales. La utilización del frío en la industria alimentaria se fue extendiendo al sector de frutas y hortalizas, y también se aplicó para la conservación de leche. Esta última utilización se inició en 1893 en Dinamarca, que a partir de 1905 enviaba regularmente a Alemania leche refrigerada en vagones frigoríficos, de aquí se extendió a otros países: Suecia, Suiza, Gran Bretaña y también Brasil. Canadá fue el primer país que introdujo el uso del frío en mantequería, ya que en 1897 el parlamento canadiense acordó otorgar una prima de 100 dólares a todas las industrias de mantequilla equipadas con cámara frigorífica y en 1905 la mayor parte disponían de este tipo de cámaras, concebidas casi siempre para congelación, puesto que una parte importante de la mantequilla se exportaba a Gran Bretaña. También a partir de 1885 se desarrolló el interés por el afinado de los quesos conseguido por maduración lenta por medio de una disminución


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de la temperatura. De la misma forma se fue extendiendo la aplicación del frío a otras industrias alimentarias: pescados, chocolate, margarina, helados, huevos y aves, panadería, zumos, vino y otras bebidas etc. En 1908 el ingeniero Albert Barrier utiliza por primera vez la expresión “cadena de frío”, para indicar el conjunto de elementos, fijos o móviles, que aseguran la permanencia continua de los productos alimentarios perecederos bajo temperatura controlada desde su producción hasta el consumo. La utilización del frío es hoy un hecho tan ampliamente extendido que nos puede hacer olvidar hasta qué punto su introducción en el último cuarto del siglo XIX permitió variar el régimen alimentario de la población de un cierto número de países. Por sus aplicaciones a la conservación y al transporte a gran distancia de productos perecederos, el frío ha constituido una verdadera revolución, como la que supuso la apertización a comienzos del siglo XIX.

BIBLIOGRAFÍA


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PARTE I

BASES DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS



CAPÍTULO PRIMERO

Alteración de los alimentos 1. INTRODUCCIÓN


Todo cuerpo vivo nace, se desarrolla, se degrada y muere, los alimentos por su naturaleza biológica no escapan a esta regla general, su descomposición es pues un fenómeno natural. Los tejidos vivos son resistentes a la acción degradativa de los microorganismos, pero una vez muertos son consumidos por fuerzas biológicas de uno u otro tipo. En este contexto se establece una competencia entre el hombre, los animales y los microorganismos para consumir primero estos nutrientes. Por esta razón para prevenir el deterioro de los tejidos animales y vegetales se presenta un difícil y doble cometido, se debe no sólo conservar el alimento para su uso, sino también excluir de él las otras fuerzas naturales. En los tejidos de los organismos vivos, sus componentes están en un equilibrio dinámico, determinado por el tipo de organismo o por el tipo de su metabolismo y por el medio ambiente. Los cambios bioquímicos que se producen en dicho organismo vivo son extremadamente importantes, puesto que afectan a la conservación final, relacionada con la calidad del alimento. Ahora bien, desde el punto de vista de la conservación, interesan únicamente aquellos cambios que se producen en los alimentos cuando sus procesos bioquímicos han perdido su naturaleza original, por lo que en consecuencia se ha destruido su balance metabólico y se alteran las secuencias normales de las reacciones enzimáticas. Desde el momento en que el alimento se cosecha, se recoge o se sacrifica, comienza a pasar por una serie s erie de etapas de descomposición progresiva. Según el alimento, esta descomposición puede ser muy lenta, como en el caso de las semillas o las nueces, por ejemplo, o puede ser tan rápida que vuelve prácticamente inutilizable a un alimento en pocas horas. horas . En la tabla 1 se indica la vida útil de algunos alimentos, en ella se puede apreciar la rapidez con que se descomponen si no se toman las medidas oportunas.


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Tabla 1. Vida útil de almacenamiento de tejidos vegetales y animales Producto

Carne Pescado Aves Carne y pescado desecado, salado o ahumado Frutas Frutas secas Hortalizas de hojas verdes Raíces Semillas secas


Días de almacenamiento a 21ºC

1-2 1-2 1-2 360 y más 1-7 360 y más 1-2 7 - 20 360 y más

La carne, el pescado y las aves, pueden volverse inútiles en uno o dos días, a temperatura ambiente. Lo mismo ocurre en el caso de varias frutas y hortalizas de hojas verdes comestibles, así como la leche cruda y muchos otros productos naturales. La temperatura del ambiente, interior o exterior, puede ser más alta de 21ºC (temperatura a la que se refiere la tabla anterior) durante una gran parte del año, y en ciertas regiones del mundo durante todo el año. Con temperaturas superiores a 21ºC los alimentos pueden tornarse inútiles en unas horas. El deterioro de los alimentos presenta un carácter diferente dependiendo del tipo de cambios que intervengan: cambios no microbianos internos o externos o cambios producidos por microorganismos. • Cambios bioquímicos no microbianos , pueden ser perceptibles o no por los sentidos del consumidor. En los alimentos se producen cambios de naturaleza bioquímica que el consumidor no puede percibir visualmente, olfativamente, etc. y que sólo pueden detectarse por medidas de laboratorio. Así, el valor nutricional de algunos componentes puede ser seriamente afectado, tales cambios incluyen la pérdida de azúcares, variaciones en el contenido y composición de sustancias nitrogenadas y gradual oxidación y pérdida de vitaminas. Estos cambios se producen por la respiración en la post-cosecha de frutas y hortalizas, por ejemplo. Los cambios que pueden ser percibidos sensorialmente por el consumidor incluyen la decoloración y cambios en el sabor, aroma y consistencia. La decoloración se pone de manifiesto por oscurecimientos no deseables, con modificaciones del color rojo hacia el marrón o el violeta, del verde hacia el amarillo, etc. El sabor y aroma, o palatabilidad, pueden llegar a desaparecer completamente, ya que las temperaturas elevadas favorecen la desaparición de sustancias volátiles y componentes aro-


Alteración de los alimentos a limentos


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máticos del producto. La descomposición de las proteínas y el enranciamiento de las grasas son a su vez la causa de la aparición de olores y sabores extraños. Varios de los cambios no microbianos perceptibles, especialmente los que ocurren cuando el tejido vivo deja de serlo, facilitan la propagación de los microorganismos, por lo tanto, cuando se procesan los alimentos no sólo deben ser protegidos de la contaminación microbiana sino que también se deben eliminar los cambios no microbianos indeseables. • Los microorganismos de varios tipos, producen los cambios indeseables más graves en los alimentos perecederos. Se producen pérdidas substanciales de nutrientes y considerables cambios en las características externas. Los microorganismos representan el agente más temible de alteración de los alimentos, el más activo, debido a su elevadísima velocidad de reproducción en condiciones adecuadas. Están dotados de una carga enzimática notablemente desarrollada, de forma que se puede decir, que no existe en los alimentos compuesto que no sea atacado y degradado por al menos una especie microbiana. Las causas responsables de la aparición de estos cambios, que se traducen en fenómenos de alteración en los alimentos, se pueden clasificar en: • Físicas: pueden aparecer durante la manipulación, preparación o conservación de los productos y, en general, no perjudican, por sí solas, a la comestibilidad del alimento, pero sí a su valor comercial. Un ejemplo de este tipo son los daños que pueden producirse durante la recolección mecánica, golpes durante la manipulación, heridas, etc. • Químicas: se manifiestan durante el almacenamiento de los alimentos, pero su aparición no es debida a la acción de enzimas. Son alteraciones más graves que las anteriores y con frecuencia pueden perjudicar la comestibilidad del producto. Entre estas se pueden citar el enranciamiento, pardeamiento, etc. • Biológicas: son sin duda las más importantes, a su vez se pueden subdividir en: – Enzimáticas: por acción de enzimas propias del alimento, por ejemplo, la senescencia de las frutas. – Parasitarias: debidas a la infestación por insectos, roedores, pájaros, etc. Importantes no sólo por las pérdidas económicas que suponen los productos consumidos o dañados por ellos, sino por el hecho de que dañan el alimento y lo ponen a disposición de infecciones provocadas por microorganismos. – Microbiológicas: debidas a la acción de microorganismos, que son responsables de las alteraciones más frecuentes y más graves. Generalmente, en el deterioro de los alimentos intervienen simultáneamente varias de las causas citadas, por ejemplo, las causas físicas (daños, heridas, etc.) y las parasitarias abren el camino a la intervención de causas micro-


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biológicas, así mismo, también suelen actuar conjuntamente las causas químicas y las biológicas.

2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS Sobre estas diferentes causas de deterioro de los alimentos influyen una serie de factores ambientales: la temperatura, tanto alta como baja, la humedad y sequedad, el aire y más particularmente el oxígeno, y la luz, y junto a todas ellas, evidentemente, el tiempo, puesto que todas las causas de la degradación de los alimentos progresan con el tiempo y, una vez sobrepasado el periodo transitorio en el cual la calidad del alimento está al máximo, cuanto mayor sea el tiempo transcurrido mayores serán las influencias destructoras. 2.1. TEMPERATURA


Independientemente de su efecto sobre los microorganismos, que se verá más adelante, el frío y el calor no controlados pueden causar deterioro de los alimentos. Dentro de la escala moderada de temperatura en la que se manejan los alimentos, de 10 a 38ºC, para cada aumento de 10ºC se duplica aproximadamente la velocidad de las reacciones químicas, incluyendo las velocidades tanto de las reacciones enzimáticas como de las no enzimáticas. El calor excesivo desnaturaliza las proteínas, rompe las emulsiones, destruye las vitaminas y reseca los alimentos al eliminar la humedad. El frío no controlado también deteriora los alimentos, las frutas y hortalizas que se han congelado y descongelado en el campo presentan una textura alterada. La congelación también puede producir el deterioro de los alimentos líquidos: las emulsiones se rompen, las grasas se separan, etc. El frío puede dañar también los alimentos aunque la temperatura no llegue a superar el punto de congelación. Estos daños por frío se presentan en algunas frutas y hortalizas como plátanos, limones, calabazas, tomates, etc. que pueden presentar manchas y otros daños en la epidermis si se mantienen a temperaturas inferiores a 10ºC. En la tabla 2 se recogen algunos de los daños que aparecen en frutas y hortalizas. 2.2. HUMEDAD Y SEQUEDAD Muchos productos son sensibles a la presencia de agua física en su superficie, producida por la condensación debida a cambios de temperatura. Este agua física puede producir hidropatías que habitualmente llevan a la aparición de manchas y otros defectos superficiales.


Alteración de los alimentos

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Tabla 2. Sensibilidad de frutas y hortalizas a bajas temperaturas Producto

Manzanas Aguacates Plátanos Pepinos Berenjenas Limones Melones Sandías Naranjas Pimientos Tomates verdes Tomates maduros

Temp. seg.

1 a 2ºC 7ºC 13ºC 7ºC 7ºC 13 a 14ºC 5 a 10ºC 2ºC 1,5 a 2,5ºC 7ºC 13ºC 10ºC

Daños si 0ºC < T alm. < T seg.

Ennegrecimiento interno Ennegrecimiento interno No toman color al madurar Áreas acuosas, descomposición Manchas doradas, depresiones en la piel Depresiones en la piel, decoloración interna Depresiones piel, descomposición superficial Depresiones en la piel, mal sabor Depresiones en la piel, desecación interna Decoloraciones cerca del cáliz No toman color al madurar Rotura de los tejidos

Esta condensación puede producirse también dentro de envases estancos, tanto cuando se almacenan productos vivos o no. En el caso de alimentos vivos, como frutas y hortalizas, la humedad que se produce es debida a la respiración y transpiración de los mismos. Los productos no vivos, también pueden desprender humedad dentro del envase, que se condensará si se produce una bajada de la temperatura. La presencia de agua interviene también en el desarrollo de los microorganismos, como se verá más adelante. La cantidad más pequeña de condensación superficial es suficiente para permitir la proliferación de bacterias o el desarrollo de mohos. 2.3. AIRE Y OXÍGENO


Además de los efectos que el oxígeno tiene sobre el desarrollo de los microorganismos, que se verán también más adelante, el aire y el oxígeno ejercen efectos destructores sobre las vitaminas (particularmente las vitaminas A y C), sobre los colores, los sabores y otros componentes de los alimentos. La acción química del oxígeno del aire sobre los pigmentos de las carnes y otros productos cárnicos es de dos tipos: oxigenación y oxidación. La oxigenación, o fijación inestable del oxígeno sobre la mioglobina y la hemoglobina para dar oximioglobina y oxihemoglobina, es el origen de la vivacidad del color rojo de la carne. La oxidación que transforma el hierro ferroso en hierro férrico de la hemo de la mioglobina provoca la formación de metamioglobina marrón. El oxígeno interviene también en la oxidación de las grasas, produciendo efectos variables en función de la naturaleza de las grasas y de su estado. Los ácidos grasos insaturados son más sensibles cuando están libres, su grado de insaturación aumenta su sensibilidad y la velocidad de oxidación. El ácido linolénico (C 18:3) es claramente más vulnerable que el ácido linoleico (C18:2), que a su vez lo es más que el ácido oleico (C 18:1). A temperatura ambiente el


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ácido esteárico (C 18:0) no es afectado por la oxidación, mientras que los ácidos grasos poli-insaturados lo son incluso a temperaturas de congelación. El oxígeno interviene además en las actividades metabólicas de las células vegetales y animales, entre las cuales las más importantes son la respiración, la biosíntesis del etileno (en el caso de los vegetales) y los procesos de oxidación, catalizados por polifenol-oxidasas y que tienen lugar entre el oxígeno y un sustrato fenólico. El oxígeno se puede eliminar aplicando vacío o arrastrándolo por medio de un gas inerte. 2.4. LUZ La luz es responsable de la destrucción de algunas vitaminas, particularmente la riboflavina, la vitamina A y la vitamina C. Además puede deteriorar los colores de muchos alimentos. Los alimentos que tienen sensibilidad a la luz pueden ser fácilmente protegidos contra ella por medio de envases que no permitan su paso. 2.5. ACCIÓN COMBINADA DE DIFERENTES FACTORES


Todos estos factores no actúan de forma aislada, la mayoría de las veces se produce la actuación simultánea de algunos de ellos o bien la intervención de uno de ellos desencadena la de los demás. De la misma forma que, como se ha dicho, pueden actuar simultáneamente varias causas para alterar los alimentos, así mismo, factores como el calor, la humedad y el aire pueden influir en la proliferación y actividad de los microorganismos, lo mismo que en la actividad química de las enzimas de los alimentos. Por lo tanto para conseguir la conservación de los alimentos se deberá reducir al mínimo la actuación de todos estos factores. Si se toma como ejemplo una conserva de carne enlatada, se comprueba que el producto se ha esterilizado, y en dicho proceso se han destruido todos los microorganismos que pudieran estar presentes, a la vez el tratamiento térmico ha inactivado también las enzimas naturales de la carne. El producto esterilizado está dentro de un envase metálico, que se encarga de protegerlo de los insectos y roedores y que también impide el paso de la luz, que podría deteriorar su color y su valor nutritivo. La lata impide también que hayan intercambios de humedad con el ambiente externo, por lo que la carne no se deshidratará. Antes del cerrado del envase se habrá producido un vacío, o bien se habrá realizado un barrido con nitrógeno para eliminar el oxígeno, luego este factor tampoco afectará. Por último, las latas se almacenarán en un lugar fresco y durante un tiempo limitado, el que se haya comprobado para mantener sus cualidades. Se puede apreciar, pues, que en la producción de una conserva de carne enlatada, se han tenido en cuenta cada uno de los factores que son causa de la descomposición de los alimentos.



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3. PRINCIPALES CAUSAS DE LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS Como se ha dicho anteriormente, las causas de alteración de los alimentos pueden ser de naturaleza física, química y biológica, también se ha indicado que las causas físicas y las parasitarias, incluidas dentro de las biológicas, son importantes porque abren el camino al ataque de los microorganismos. En consecuencia, las causas más comunes de alteración de los productos alimentarios son de naturaleza biológica y entre éstas, sin duda las más importantes por los daños económicos producidos son los microorganismos y las enzimas naturales de los alimentos. Estas dos causas, junto con las de naturaleza química, revisten una importancia notable no sólo por la frecuencia en que intervienen en los procesos de deterioro, sino también, y particularmente, porque los procesos de alteración que producen implican, en la práctica totalidad de los casos, la destrucción de todo el producto, al contrario de lo que ocurre cuando intervienen otras causas de alteración, que pueden determinar fenómenos de deterioro localizados que presentan la posibilidad de una utilización parcial del producto. 3.1. CAUSAS QUÍMICAS Entre las reacciones químicas que conducen al deterioro de los alimentos existen dos particularmente importantes: el pardeamiento no enzimático y el enranciamiento de las grasas. 3.1.1. Pardeamiento no enzimático (Reacción de Maillard)


Bajo la denominación de pardeamiento no enzimático o reacción de Maillard se incluyen una serie de reacciones muy complejas, por medio de las cuales, y en determinadas condiciones, los azúcares reductores pueden reaccionar con las proteínas y producir una serie de pigmentos de color pardo-oscuro y unas modificaciones en el olor y sabor de los alimentos, que en unos casos son deseables (asados, tostados y frituras) y en otros indeseables (colores oscuros que se desarrollan durante el almacenamiento). El nombre de pardeamiento no enzimático sirve para diferenciarlo del pardeamiento enzimático, rápido, que se observa en las frutas y hortalizas como consecuencia de su oxidación. El pardeamiento no enzimático se presenta durante los procesos tecnológicos o el almacenamiento de diversos alimentos. Se acelera por el calor y, por lo tanto, se acusa en las operaciones de cocción, pasteurización, esterilización y deshidratación. El pardeamiento no enzimático es debido a una reacción que tiene lugar entre un grupo aldehido o cetona, procedente de los azúcares reductores, y gru-


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pos amino de aminoácidos o proteínas, va acompañado por una reducción de la solubilidad de las proteínas, una disminución del valor nutritivo y la producción de sabores extraños. El pardeamiento de Maillard, o pardeamiento no enzimático, incluye una serie de reacciones en las que el desarrollo del color tiene lugar en el último paso del proceso. Se puede resumir en tres pasos: • Paso inicial (no hay producción de color): 1. Condensación azúcar-amino para formar una glucosilamina-N-sustituida. Reacción reversible. 2. Rearreglo de Amadori, la glucosilamina se transforma en una cetosimina o aldosamina. • Paso intermedio (formación de colores amarillos muy ligeros y producción de olores desagradables). 3. Deshidratación de azúcares, se forman derivados del furfural, reductonas o dehidrorreductonas, dependiendo del pH y de la actividad de agua del sistema. 4. Fragmentación de azúcares, se forman compuestos α-hidroxicarbonilos, glucoaldehido, gliceraldehido, piruvaldehido, acetol, acetoína, diacetilo, etc. 5. Degradación de Strecker, aminoácidos más las dehidrorreductonas de 3) forman aldehidos con un átomo de carbono menos que el aminoácido inicial, más CO2. • Paso final (formación de pigmentos): 6. Condensación aldólica de compuestos intermedios para formar pigmentos insaturados con propiedades fluorescentes. 7. Polimerización de aldehidos con aminas. En la figura 1 se muestra el diagrama característico, de acuerdo con Hodge (1953), que resume todos los posibles mecanismos presentes en las reacciones de oscurecimiento de Maillard. Como consecuencia de las reacciones de Strecker se forman, además de los citados aldehidos y CO 2, nuevos compuestos carbonílicos que pueden reaccionar entre sí, con los aldehidos o con las sustancias amino y producir compuestos volátiles aromáticos, deseables o no, tales como las pirazinas, entre las que destaca la dimetilpirazina que es, por ejemplo, el constituyente del aroma de las patatas chips. Esta reacción se utiliza para producir los aromas característicos de ciertos alimentos, como el chocolate, la miel y el pan. Los pigmentos responsables del color producido en las fases finales del pardeamiento son las melanoidinas coloidales, si las reacciones de Maillard y de Strecker son muy intensas, no solo producen sabores desagradables sino que dan lugar a algunas sustancias potencialmente tóxicas, las premelanoidinas, que pueden contribuir a la formación de nitrosaminas, además de tener efecto mutagénico por sí mismas.




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Figura 1.–Reacciones de pardeamiento de Maillard (Hodge, 1953).

La reacción de Maillard se favorece a pH ligeramente alcalino y por lo tanto los alimentos ácidos no están sujetos a este tipo de oscurecimiento.


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3.1.2. Enranciamiento de los lípidos


Las grasas y los aceites son susceptibles a diferentes reacciones de deterioro que reducen el valor nutritivo del alimento y además forman compuestos volátiles que producen olores y sabores desagradables. Esto se debe, por una parte, a que el enlace éster de los acilglicéridos puede sufrir una hidrólisis química o enzimática y, por otra, a que los ácidos grasos insaturados son sensibles a reacciones de oxidación. En general, el término rancidez se ha utilizado para describir los diferentes mecanismos a través de los cuales se alteran los lípidos. El grado de deterioro depende del tipo de grasa o aceite, los más susceptibles a estos cambios, son los de origen marino seguidos por los aceites vegetales y finalmente por las grasas animales. El deterioro de los lípidos se ha dividido en dos grupos de reacciones: enranciamiento hidrolítico y enranciamiento oxidativo. El primero se debe básicamente a la acción de las lipasas que liberan ácidos grasos de los triacilglicéridos, mientras que el segundo se refiere a la acción del oxígeno y de las lipoxigenasas sobre las insaturaciones de los ácidos grasos. En este apartado, referente a las causas químicas de deterioro, se tratará únicamente el enranciamiento oxidativo. Las reacciones de oxidación de los lípidos tienen diversos orígenes, el principal es la acción directa del oxígeno sobre los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados, con la consecuente formación de hidroperóxidos. Este tipo de rancidez se presenta comúnmente, como es obvio, en lípidos con un alto contenido de ácidos grasos insaturados y es el deterioro más común de las grasas utilizadas en la industria alimentaria. La oxidación de los lípidos insaturados puede generar una gran variedad de compuestos, que van desde sustancias polimerizadas hasta moléculas volátiles de bajo peso molecular, que producen olores y sabores desagradables en el alimento. La intensidad y la forma de oxidación, y los compuestos formados, dependen en gran parte de las condiciones de oxidación (temperatura, presencia de catalizadores, estado de dispersión de la grasa, tipo de ácido graso, cantidad de oxígeno disponible, etc.). La actividad de agua de los alimentos desempeña un papel importante en la velocidad de oxidación, las temperaturas aceleran considerablemente la oxidación así como la aireación. 3.2. CAUSAS BIOLÓGICAS Como ya se ha indicado, las causas biológicas son las más importantes en el deterioro de los alimentos y las de más graves consecuencias, y entre éstas particularmente las producidas por las enzimas naturales de los alimentos y las causadas por microorganismos.



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3.2.1. Enzimas naturales de los alimentos


Las plantas y los animales tienen sus propias enzimas, cuya actividad, en gran parte, sobrevive a la recolección y al sacrificio, intensificándose con frecuencia a partir de ese momento, debido a que las reacciones enzimáticas son controladas y equilibradas con mucha precisión en la planta o en el animal que vive y funciona normalmente; pero este equilibrio se rompe cuando el animal es sacrificado o la planta retirada del campo. Si estas enzimas no son inactivadas, siguen catalizando reacciones químicas en los alimentos, algunas de estas reacciones, si no se les permite progresar más allá de un cierto límite, son muy deseables, por ejemplo la maduración de algunas frutas después de la cosecha y el ablandamiento natural de la carne, pero más allá del límite óptimo estas reacciones llevan a la descomposición de los alimentos, los tejidos debilitados son atacados por infecciones microbianas. Los mecanismos enzimáticos desempeñan un papel fundamental en la transformación post-mortem del músculo en carne. En lo que afecta a la terneza de las carnes intervienen al menos dos sistemas enzimáticos, el color depende de la regulación del estado de oxido-reducción de la mioglobina y en el aroma intervienen tanto la proteolísis post-mortem como la lipolísis. La célula vegetal, con respecto a la célula animal, presenta sistemas enzimáticos específicos: las enzimas que sintetizan y degradan los constituyentes de las paredes celulares (polisacáridos), las enzimas de la vía de la biosíntesis del etileno y las enzimas del ciclo de Calvin, por ejemplo. Los dos primeros sistemas desempeñan un papel importante en los procesos de maduración del vegetal y, cuando se alcanza este estado, en los procesos de alteración de la célula vegetal. Esta alteración se manifiesta a nivel macroscópico por un ablandamiento de las frutas o de las hortalizas. Los golpes (causa física de deterioro) aceleran el ablandamiento, puesto que destruyen la integridad celular con liberación de hidrolasas contenidas en las vacuolas y porque estimulan la producción de etileno. Así mismo, los cristales de hielo formados durante la congelación son perjudiciales para la firmeza de las frutas y hortalizas por las mismas razones: liberación de enzimas que hidrolizan las paredes. A estos sistemas enzimáticos hay que añadir otras enzimas que no son específicas de los vegetales, tales como la lipoxigenasa y la polifenoloxidasa, que intervienen en los procesos de post-maduración de los vegetales y cuyos efectos no son deseables (aparición de olores y colores desagradables) y las lipasas que son causantes de la lipolísis, enranciamiento lipolítico, muy notable en productos lácteos por ejemplo. 3.2.2. Microorganismos El proceso de deterioro de naturaleza microbiana es un fenómeno variable, dado que está condicionado por el tipo y número de especies microbianas presentes, que a su vez está condicionado por la composición química del sustrato


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y de las condiciones de conservación, sobre todo la temperatura y la presencia o ausencia de oxígeno. 3.2.2.1. Efectos del metabolismo de los microorganismos en los alimentos


La presencia y la actividad de los microorganismos, bajo ciertos puntos de vista, es un fenómeno útil dado que, a través de su carga enzimática, desarrollan toda una serie de transformaciones de la materia orgánica que contribuyen de forma esencial a completar el ciclo de la materia en la naturaleza. En otras palabras, la acción de los microorganismos en los alimentos, tiene como fin último la mineralización de la materia orgánica, desafortunadamente, este largo camino del desarrollo de los microorganismos da lugar a la formación de toda una serie de compuestos siempre más simples que, en la mayor parte de los casos, tienen como consecuencia la modificación de las características organolépticas del producto, la aparición de fenómenos de alteración y en consecuencia el alimento deja ser adecuado para el consumo humano y, en algunos casos, afortunadamente bastante pocos, además nocivo para la salud. Los mecanismos por medio de los cuales los microorganismos realizan la escisión y transformación de la materia orgánica son muy complejos, pero las vías metabólicas seguidas fundamentalmente pueden reducirse a dos: oxidación y fermentación. Aunque la carga enzimática de los microorganismos es tal que pueden atacar simultáneamente a la mayor parte de los sustratos, las vías metabólicas se exponen separadamente según el grupo principal del sustrato (hidratos de carbono, lípidos, prótidos, etc.), además hay que señalar que, los metabolitos formados de la escisión de un compuesto determinado pueden ulteriormente ser metabolizados siguiendo una vía metabólica propia de otro grupo de sustancias. Los hidratos de carbono son utilizados por los microorganismos esencialmente como fuente energética. Generalmente, salvo raras excepciones, los polisacáridos son primero escindidos en monosacáridos, los cuales a su vez son degradados a compuestos de 1, 2, 3 y 4 átomos de carbono. Con excepción de pocas especies microbianas, los monosacáridos son escindidos en primer lugar en ácido pirúvico, el cual será posteriormente, en condiciones aerobias, oxidado completamente hasta la formación de CO 2 y H2O, o bien, en anaerobiosis, en compuestos orgánicos más simples, característicos del tipo de fermentación microbiana involucrada. Según los productos finales obtenidos, se pueden distinguir varios tipos de fermentación: alcohólica, láctica, etc. En el Capítulo III se tratan los diferentes tipos de fermentación, que cuando se realizan en condiciones controladas son interesantes para la conservación de los alimentos, pero que también pueden ser causa de alteraciones. Los lípidos presentes en varios productos alimentarios sufren la acción demoledora de los microorganismos capaces de producir una lipasa, es decir los microorganismos lipolíticos. No obstante hay que señalar que las alteracio-




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nes de los lípidos producidas por microorganismos son mucho menos importantes que las de naturaleza puramente química. Los productos derivados de la escisión de los lípidos varían según el tipo de lípidos afectados, así se tendrá formación de glicerol y de diversos ácidos grasos insaturados y saturados en el caso de la escisión de los glicéridos; o bien glicerina, ácido ortofosfórico y un aminoácido en el caso de los fosfolípidos. Los compuestos que así se forman sufren también una escisión ulterior siguiendo vías metabólicas típicas de las sustancias no nitrogenadas o de las nitrogenadas, así el glicerol es escindido como triosas, mientras que los aminoácidos siguen la vía de las sustancias nitrogenadas. De cualquier modo los productos más interesantes de la escisión de los lípidos son los ácidos grasos, algunos de los cuales, especialmente los de cadena corta (ácido acético, propiónico, butírico, caprónico) pueden producir olores y sabores desagradables. En otros casos, estos ácidos pueden formar principios de olores agradables, pero anormales como el butirato de etilo (olor de piña) o el isovalerianato de etilo (olor de fresa), esterificando los alcoholes que se originan de la fermentación de los azúcares. Además hay que recordar que estos ácidos grasos son directamente responsables de la aparición del fenómeno de rancidez, que se manifiesta con la aparición de un sabor y olor característico. Los prótidos representan el componente más importante de los productos alimentarios de origen animal y su demolición implica siempre cambios notables de sus características organolépticas. La demolición de las proteínas se inicia siempre con la rotura de los enlaces peptídicos y con la formación de proteosas, peptonas, polipéptidos, dipéptidos, péptidos y aminoácidos, estos últimos intervienen de forma considerable sobre el olor y sabor del producto. Los aminoácidos son escindidos posteriormente por medio de dos procesos fundamentales, desaminación y descarboxilación, en compuestos más simples como ácidos saturados o insaturados, cetoácidos o hidroxiácidos y NH3 o bien en las correspondientes aminas y CO2. Son muchos los microorganismos aerobios o anaerobios, esporógenos o no, Gram positivos o Gram negativos, capaces de realizar la escisión de las proteínas. Esta escisión se desarrolla de manera diferente según tenga lugar en ambiente aerobio o anaerobio. En general, los microorganismos aerobios, por lo tanto ambiente aerobio, escinden las proteínas en compuestos más simples por medio de toda una serie de reacciones oxidativas; los productos finales están completamente oxidados y no se tiene nunca la aparición de productos de mal olor; cuando hay presente ácido sulfhídrico en general aparece bajo forma de sulfato y el amoniaco es oxidado posteriormente a nitrato. Cuando la escisión de las proteínas es producida por microorganismos anaerobios, los productos finales no están nunca completamente oxidados, como en el caso anterior, sino que se forman compuestos intermedios como indol, mercaptanos, ácido sulfhídrico y amoniaco que hacen el producto maloliente y nauseabundo.


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La degradación de las proteínas no es nunca deseable cuando se desarrolla sobre productos frescos, tales como carnes, pescados, etc. y su desaparición provoca siempre una depreciación del valor comercial del producto. Es en cambio deseable cuando es controlada y detenida en el momento oportuno, en todos los productos alimentarios sometidos a maduración, pero en todos los casos es siempre indeseable cuando la degradación es intensa hasta límites tales que producen verdaderos cambios de las características organolépticas, dando lugar genéricamente a fenómenos de putrefacción. En líneas generales, en el sector de los productos de origen animal se distingue una putrefacción aeróbica superficial y una putrefacción anaeróbica profunda, aunque en definitiva los dos fenómenos son perfectamente superponibles. La putrefacción aerobia es debida a un gran número de microorganismos aerobios, esporógenos o no, Gram positivos y Gram negativos, muchas de estas especies son psicrófilas, por lo que el proceso se puede manifestar también a baja temperatura. La putrefacción anaerobia se debe a la actividad de microorganismos anaerobios, pertenecientes al género Clostridium. 3.2.2.2. Origen de los microorganismos en los alimentos


Existen miles de géneros y especies de microorganismos, varios centenares de ellos están relacionados de una u otra forma con los productos alimentarios. Los microorganismos de importancia alimentaria son aquellos que están presentes de forma natural en el alimento, o bien han sido aportados por contaminación, o han sido añadidos intencionadamente durante algún momento de su historia, pero, independientemente de su origen, todos han encontrado en el producto condiciones favorables para su desarrollo. En los alimentos se puede encontrar, por tanto, dos tipos de microorganismos: • Los que se utili utilizan zan en su proceso proceso de fabrica fabricación, ción, de de conservación, conservación, o se usan para potenciar su sabor. Este tipo de microorganismos y los procesos en los que participan se tratarán en el Capítulo III. • Los que suponen suponen la causa causa principal principal de deterioro deterioro de los los alimentos, alimentos, son son el objeto de este Capítulo. Los microorganismos de este último grupo están presentes en el ambiente natural del hombre (en el agua, suelo, aire, etc.), en el propio hombre y en todos los seres vivos (plantas y animales), en la piel del ganado, en las plumas de las aves, en las cortezas de frutas y hortalizas, en el equipo utilizado en la manipulación y procesado de los alimentos que no ha sido esterilizado y también en las manos, piel y ropa del personal que maneja los alimentos. Un hecho importante es que los microorganismos no se encuentran generalmente dentro de los tejidos vivos y sanos de animales o plantas. Pero siempre están presentes y dispuestos a invadirlos si se producen roturas en la piel o cáscara o si ésta ha sido debilitada. La piel de los animales, de las frutas, la cáscara de los huevos, etc., constituyen barreras naturales que las células microbianas no pueden atravesar. Sin




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embargo, durante la preparación de la canal de los animales en el matadero, la piel puede ser un foco de contaminación, o también los microorganismos presentes en el tracto intestinal, las vísceras son las principales fuentes de contaminación de las carnes y pescados; la leche puede así mismo contaminarse con los microorganismos presentes en la superficie de las ubres; las frutas y hortalizas pueden sufrir daños durante la recolección, que facilitan la entrada de los microorganismos. Los microorganismos que aparecen en la superficie de los alimentos son los que habitualmente se encuentran en el suelo, en el agua o en las materias fecales. La contaminación de los alimentos es relativamente específica y dirigida por el ambiente, el suelo determina de forma importante la flora de las frutas y hortalizas, la piel de los animales y las vísceras la de la carne, la superficie de las ubres la de la leche, a esto hay que añadir las características físicoquímicas del alimento, que son esenciales para favorecer la instalación de una flora específica en el mismo, por ejemplo los mohos en frutas y cereales. Durante el proceso industrial, la flora que contamina la materia prima sufrirá una transformación, las operaciones tecnológicas producirán modificaciones en las características físico-químicas del producto, que provocarán fenómenos de selección y de dominancia de ciertos géneros y especies microbianas. La propia industria alimentaria y su ambiente son fuente de nuevas contaminaciones, que se añaden a las anteriores; también en este caso las causas siguen siendo el aire, el suelo y el agua, pero además hay que tener en cuenta la gran importancia que, desde este punto de vista, presentan los equipos industriales, las distintas superficies, pequeños instrumentos y el personal. Estas contaminaciones dependen del diseño de los locales y de las líneas de fabricación, así como del nivel de higiene conseguido con las prácticas de limpieza, desinfección y mantenimiento general de la industria, así como de la higiene del personal. Este tipo de contaminaciones conduce, la mayoría de las veces, a una diversificación de los géneros microbianos y a un aumento global de la flora. Según el tipo de microorganismos implantados en los alimentos, cuya identidad depende de las características físico-químicas del alimento, la contaminación puede tener consecuencias más o menos importantes, desde la simple s imple alteración del producto, haciéndole perder sus características organolépticas o su valor comercial, hasta la producción de intoxicaciones y toxiinfecciones graves en el consumidor. 3.2.2.3. Principales grupos de microorganismos causantes de alteraciones Los principales tipos de microorganismos que participan en el deterioro de los alimentos son bacterias, mohos y levaduras, que pueden atacar prácticamente todos los componentes de los alimentos, y cuando éstos se contaminan bajo condiciones naturales, es probable que actúen a la vez varios tipos de microorganismos y contribuyan a una serie de cambios simultáneos. Las bacte-


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rias, mohos y levaduras se desarrollan en condiciones calurosas y húmedas, y en condiciones favorables presentan una gran velocidad de multiplicación, pudiendo duplicar su número cada 30 minutos. Estas propiedades de las bacterias, mohos y levaduras hacen de ellos la causa más importante de la descomposición de los alimentos, aunque, afortunadamente, muy pocos de ellos producen toxinas capaces de originar intoxicaciones en el consumidor. 3.2.2.3.1. Bacterias


El crecimiento de las bacterias, tanto en el interior de los alimentos como en la superficie de los mismos, suele ser lo suficientemente abundante como para proporcionarles un aspecto desagradable, o para convertirlos en perjudiciales. Las bacterias que producen pigmentos modifican el color de la superficie de los alimentos, también la superficie de los líquidos puede estar recubierta de un velo debido al crecimiento de bacterias, pueden además comunicar viscosidad a la superficie de los alimentos y producir turbiedad en toda la masa de los líquidos. Las reacciones producidas en los alimentos como consecuencia del metabolismo de las bacterias incluyen el desdoblamiento hidrolítico de los hidratos de carbono complejos en otros más sencillos, el desdoblamiento hidrolítico de las proteínas en polipéptidos, aminoácidos y amoníaco o aminas, y el desdoblamiento hidrolítico de las grasas en glicerol y ácidos grasos. Las reacciones de óxido-reducción utilizadas por las bacterias para obtener energía de los alimentos originan, como productos resultantes de las mismas, ácidos orgánicos, alcoholes, aldehidos, cetonas y gases. Una importante propiedad de algunas bacterias es su capacidad de formar esporas resistentes después de una propagación intensiva en condiciones favorables, las esporas no poseen ninguna actividad metabólica lo cual les permite sobrevivir en ambiente desfavorable. Las bacterias, bien sean Gram positivas o Gram negativas, son esencialmente Eubacterias. Pertenecen a un número de familias relativamente restringido: Enterobacteriaceae, Neisseriaceae, Vibrionaceae, Micrococaceae, Streptococcaceae, Lactobacillaceae, Bacillaceae, Pseudomonadaceae y alrededor de una treintena de géneros diferentes de los que los más importantes son: Escherichia, Salmonella, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Staphylococcus, Streptococcus y Lactobacillus. Algunas especies pertenecientes a alguno de estos géneros son patógenas y particularmente indeseables en los alimentos: Salmonella typhi, Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, Vibrio parahaemolyticus, Bacillus aureus, Escherichia coli, Campylobacter sp. Yersinia enterocolitica, etc. En la tabla 3 se indican los principales síntomas observados en las infecciones producidas por estos microorganismos. Las Salmonellas son aero-anaerobias, Gram negativas. Su temperatura óptima de crecimiento se sitúa entre 35 y 37ºC, sin embargo pueden multiplicarse desde 5 a 45/47ºC, aunque a temperaturas inferiores a 10ºC el crecimiento




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sufre un retraso considerable. Como todas las bacterias Gram-negativas presentan una cierta sensibilidad al calor, aunque pueden observarse algunas diferencias en función del tipo de alimentos. Las temperaturas de refrigeración permiten su supervivencia, mientras que la congelación provoca un descenso considerable del número de Salmonellas, aunque nunca produce su completa desaparición. Soportan un rango de pH entre 4,5 y 9, con un óptimo de 6,5 a 7,5. Pueden existir variaciones en la intensidad del crecimiento en función del tipo de ácido utilizado para conseguir un determinado pH. Se desarrollan bien a valores de actividad de agua (aw) de 0,950 a 0,999 (Véase concepto de actividad de agua en los Capítulos II y XII). Los alimentos más a menudo implicados son las carnes y los productos cárnicos, algunos productos de charcutería, las aves y productos derivados, los ovoproductos y otros productos diversos a base de huevo, la leche, la leche en polvo y otros productos lácteos. Los productos vegetales pueden así mismo servir de vectores a las Salmonellas. Se encuentra en el tracto intestinal del hombre y de los animales y la contaminación se produce por medio del agua, del hombre, roedores y contaminación cruzada. En el caso de Clostridium perfringens se trata de bacterias anaerobias esporuladas, Gram-positivas, que producen un gran número de toxinas. En general en los alimentos en los que da lugar a intoxicaciones son los productos cárnicos. Se trata de un microorganismo termófilo y por lo tanto puede desarrollarse a un rango bastante amplio de temperaturas. El Clostridium botulinum es también una bacteria Gram-positiva esporulada, anaerobia estricta. Existen diferentes serotipos de Cl. botulinum cuya diferenciación se hace esencialmente en función de la especificidad de las toxinas, existen siete toxinas inmunológicamente diferentes denominadas con letras de la A a la G, de las cuales las que son importantes para el hombre son A, B, E y F. Para el tipo E la temperatura óptima de crecimiento es 30ºC y la mínima 5ºC. Estos datos ponen de manifiesto la aptitud del tipo E para germinar, desarrollarse y producir toxina a bajas temperaturas, mientras que los demás tipos necesitan temperaturas bastante más elevadas. Cl. botulinum se desarrolla a pH próximos a la neutralidad, se considera que por debajo de pH = 4,5 es imposible su crecimiento, de ahí el mayor riesgo de los alimentos de pH elevado. Sus esporas son termorresistentes y por lo tanto capaces de sobrevivir a un tratamiento térmico insuficiente. El Staphylococcus aureus, es una bacteria no esporógena , con un intervalo de crecimiento entre 6,7 y 45,4ºC con un óptimo entre 37 y 40ºC. El rango de pH al que puede desarrollarse es de 4,5 a 9,3 y crece a una actividad de agua aw = 0,88. Las enterotoxinas que produce son muy resistentes al calor. Su transmisión se produce por los manipuladores de los alimentos y por equipos contaminados. Escherichia coli, es también una bacteria no esporógena, que está presente en el tracto intestinal del hombre y de los animales. Se puede encontrar en materias primas no procesadas: carne, leche, quesos no pasterizados, etc. Su contaminación se debe fundamentalmente a una falta de higiene, por los mani-


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puladores de los alimentos, etc. No sobrevive a temperaturas de congelación durante largos periodos. La Yersinia enterocolitica, de la familia de las Enterobacterias, tiene la particularidad de desarrollarse a bajas temperaturas y está igualmente asociada a un cierto número de gastroenteritis. Listeria monocytogenes, es una bacteria no esporógena, con un óptimo de crecimiento entre 4,4 y 36,7ºC. La pasterización HTST puede no matar todas las Listerias si están presentes en formas encapsuladas. Se puede encontrar en productos lácteos y huevos. Tabla 3. Principales síntomas de las toxiinfecciones alimentarias y gastroenteríticas de origen bacteriano Bacterias

Salmonella

Clostridium perfringens


Incubación

6-48 horas en general de 12 a 36 horas 8-22 horas

Clostridium botulinum

En general 18 a 36 horas

Staphylococcus aureus

0,5-6 horas

Vibrio parahaemolyticus

2-48 horas generalmente 12 a 18 horas 8-16 para la forma diarréica a) 1-15 para la forma emética b) 12-72 horas

Bacillus cereus

Escherichia coli

Campylobacter Yersinia enterocolitica

2 a 5 días (o más algunas veces)

Duración y síntomas

1 a 7 días. Diarrea, Dolores abdominales. Vómitos. Fiebre la mayor parte del tiempo. 12 a 24 horas. Diarrea. Dolores abdominales. Náuseas. Raramente vómitos. Sin fiebre. Muerte en 24 horas a 8 días, o convalecencia lenta de 6 a 8 meses. Síntomas variables que incluyen perturbaciones de la visión, dificultades de elocución y de salivación. Formación de numerosas mucosas en la boca. Lengua y faringe muy secas. Debilidad progresiva y parada respiratoria. 6-24 horas. Náuseas. Vómitos. Diarreas y dolores abdominales. Sin fiebre. Colapso y deshidratación en los casos graves (excepcionales). 2-5 días. Diarrea que conduce frecuentemente a la deshidratación. Dolores abdominales. Vómitos y fiebre. a) 12-24 horas. Dolores abdominales. Diarrea. Algunas náuseas. b) 6-24 horas. Náuseas. Vómitos. Algunas veces diarreas. 1 a 7 días. a) Afección parecida al cólera. Diarrea acuosa y dolores. b) Forma parecida a una disentería. Diarrea prolongada, sangrante y con mucosas. Fiebre. Diarrea profusa. Dolores abdominales. Dolores abdominales. Fiebre. Dolor de cabeza. Vómitos. Náuseas. Escalofríos.



53

3.2.2.3.2. Mohos


Los mohos invaden con rapidez cualquier sustrato, gracias a su eficacia en la diseminación, a un crecimiento rápido y a que poseen una rica carga enzimática. La alteración de los alimentos por mohos se debe a las modificaciones que estos producen durante su desarrollo, toman del sustrato todos los elementos necesarios para su crecimiento y para producir la energía necesaria para sus procesos vitales, transformándolos gracias a sus poderosos sistemas enzimáticos. Los compuestos de peso molecular elevado, como los polisacáridos (sustancias pécticas, hemicelulosa, celulosa) o de reserva (almidón), los lípidos y las proteínas, para poder ser utilizados son transformados en moléculas más simples, gracias a las hidrolasas (celulasas, amilasas, lipasas, proteinasas, etc.). Las reacciones de oxidación y de reducción son realizadas por medio de oxidasas, peroxidasas, deshidrogenasas, etc. Los mohos son aptos para extraer o transformar la mayor parte de los componentes de los alimentos. Las condiciones de desarrollo de los mohos en los alimentos son muy complejas, debido a su gran diversidad y también a su notable capacidad de adaptación. La mayoría de los mohos se desarrollan entre 15 y 30ºC con un óptimo de crecimiento alrededor de 20-25ºC, sin embargo algunas especies presentan un crecimiento lento, aunque significativo incluso a –6ºC, se pueden encontrar por tanto en los almacenes frigoríficos. Los mohos resisten temperaturas muy bajas, sus esporas sobreviven y permanecen aptas para germinar cuando se recuperan las condiciones normales. Así mismo, las esporas pueden también sobrevivir a temperaturas muy elevadas. En los túneles de secado puede existir una microflora fúngica muy abundante, en la que predominan las especies termófilas o termorresistentes. Ciertos mohos termotolerantes se comportan como agentes térmicos: Aspergillus candidus, bastante común en granos, puede hacer subir espontáneamente la temperatura de un silo hasta 55ºC, entre estas especies se encuentran las que son potencialmente patógenas para el hombre o los animales. La humedad tiene una gran influencia sobre el desarrollo de los mohos, pero más que la humedad del sustrato es la disponibilidad de agua (actividad de agua, aw) el parámetro más importante. A 25ºC algunas especies pueden crecer a una a w < 0 ,70, que evidentemente encontrarán sobre frutas secas, confituras, leche en polvo, productos de charcutería desecados, granos y derivados de los cereales. Sin embargo, la mayoría de los mohos prefieren una aw más elevada, de 0,80 a 0,95. La cantidad de oxígeno disponible es también un factor importante en el desarrollo de los mohos, la mayoría son aerobios, aunque algunos soportan una anaerobiosis muy estricta. No son demasiado exigentes en cuanto a pH. Los mohos se encuentran principalmente en los cereales y sus derivados, en los productos lácteos, en las carnes y los productos cárnicos, en las oleaginosas, las frutas y hortalizas, en los frutos secos, las confituras y en las bebidas. Las modificaciones químicas producidas en los alimentos por los mohos se traducen en alteraciones del valor nutritivo o de sus características organolépti-


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cas, en dificultades de conservación y a veces en enfermedades profesionales (micosis, alergias) o intoxicaciones (micotoxinas, así algunos Aspergillus, entre ellos el Aspergillus flavus, que se desarrolla en los granos y brotes de oleaginosas, son capaces de sintetizar toxinas altamente cancerígenas: las aflatoxinas). 3.2.2.3.3. Levaduras


Las levaduras que contaminan los alimentos, con frecuencia son especies bien conocidas que provocan cambios indeseables en ellos. Estos cambios pueden manifestarse de dos formas, una puramente estética, debida a la presencia física de levaduras (turbidez o formación de una película en la superficie de los líquidos) y otra, más profunda, resultado del metabolismo de las levaduras que puede provocar aumento del pH, aromas particulares, etc. Las levaduras para su crecimiento necesitan oxígeno, fuentes de carbono orgánicas y nitrógeno mineral u orgánico, diversos minerales y una temperatura y pH adecuados. Algunas además necesitan de una o varias vitaminas y otros factores de crecimiento. Utilizan numerosos substratos carbonados, bien por vía oxidativa únicamente o, como pasa en la mayoría de los casos, por vía fermentativa, después de una fase inicial de crecimiento aeróbico. La temperatura de crecimiento está comprendida entre 5 y 30-37ºC, el valor óptimo se sitúa hacia los 25ºC. En algunos casos la multiplicación vegetativa tiene lugar incluso a aproximadamente 0ºC o algo por debajo, pero el crecimiento es muy lento. El contenido de agua en el medio es también un factor importante para el crecimiento, algunas levaduras son osmotolerantes y soportan actividades de agua del orden de 0,62, valores al que ningún otro organismo puede desarrollarse. Por lo tanto, la composición química del alimento, la concentración de oxígeno, la temperatura y las condiciones de almacenamiento, son factores que seleccionan las levaduras susceptibles de proliferar en un alimento y el número de especies capaces de desarrollarse se limita a unas pocas. Las levaduras no dan lugar a intoxicaciones alimentarias y únicamente Candida albicans y Cryptococcus neoformans son patógenas. Aunque no originan problemas sanitarios en los alimentos, sí ocasionan alteraciones en alguno de ellos: productos azucarados y ácidos.

4. CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS Y PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL La calidad de los alimentos se define como el conjunto de propiedades que influyen en su aceptación por el consumidor y que diferencian unos de otros. Como se ha indicado anteriormente, los alimentos son sistemas físico-químicos



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y biológicamente activos, por lo tanto la calidad de los alimentos es un estado dinámico que se mueve continuamente hacia niveles más bajos. Así pues, para cada alimento particular, hay un periodo de tiempo determinado, después de su producción, durante el cual mantiene el nivel requerido de sus cualidades organolépticas y de seguridad, bajo determinadas condiciones de conservación. Este periodo se define como vida útil del alimento correspondiente. Durante el almacenamiento y distribución, los alimentos están expuestos a un amplio rango de condiciones ambientales, factores tales como temperatura, humedad, oxígeno y luz, que, como ya se ha indicado, pueden desencadenar mecanismos de reacción que conducen a su degradación. Como consecuencia de estos mecanismos los alimentos se alteran hasta ser rechazados por el consumidor. Es necesario por tanto, conocer las diferentes reacciones que causan esta degradación de los alimentos para desarrollar procedimientos específicos para la evaluación de su vida útil. La cinética de deterioro de los alimentos se puede expresar matemáticamente por medio de ecuaciones de relación. Aplicando los principios fundamentales de la cinética química, los cambios en la calidad de los alimentos pueden, en general, expresarse como una función de la composición de los mismos y de los factores ambientales: dQ = F (C i, E j ) dt


donde Ci son factores de composición, tales como concentración de algunos compuestos de reacción, enzimas, pH, actividad de agua, así como población microbiana y E j son factores ambientales tales como temperatura, humedad relativa, presión total y parcial de diferentes gases, luz, etc. La metodología de trabajo consiste en identificar primero las reacciones químicas y biológicas que influyen en la calidad y seguridad del alimento. Entonces, a través de un estudio cuidadoso de los componentes del alimento y del proceso, se determinan las reacciones que se considera que presentan el impacto más crítico. El estudio de la cinética de las reacciones químicas implica el conocimiento de las constantes y de los mecanismos por los cuales una especie química se convierte en otra. Si se considera la siguiente reacción química: k f

aA + bB ⇔ cC + dD k b

donde A y B son los compuestos que reaccionan; C y D son los productos de la reacción; a, b, c, y d son los coeficientes estequiométricos; k f y k b son las constantes de velocidad, en ambos sentidos, de la reacción (hacia la derecha y hacia la izquierda, respectivamente).


56


Las constantes de velocidad de reacción se pueden determinar controlando cómo varía la concentración de cada uno de los productos. El mecanismo de reacción es más difícil de determinar, puesto que implica conocer la secuencia de pasos que llevan al resultado final. Los mecanismos de reacción se determinan sólo en los sistemas simples. La variación de la concentración con respecto al tiempo del producto A que interviene en la reacción, se podrá expresar de la forma siguiente: –

d [ A] = k f [ A]α [ B]β – k b [C ]γ [ D]δ dt

[1]

donde [ A], [ B],[C ] y [ D] son las concentraciones de los compuestos que intervienen en la reacción y α, β, γ y δ son los órdenes de las reacciones de cada compuesto obtenido o consumido. Como no es posible la resolución de forma directa de ecuaciones tan complejas como la del ejemplo anterior, ya que incluye demasiadas incógnitas, será necesario emplear algunas simplificaciones para su resolución. Por ejemplo, elegir las condiciones de trabajo de forma que sea predominante uno de los sentidos de la reacción. Si hacemos que la concentración del compuesto B sea muy alta, su variación podrá ser considerada como despreciable, y en consecuencia la constante de la reacción hacia la izquierda será considerablemente más pequeña que hacia la derecha. En este caso la ecuación [1] se convertirá en: d [ A] – dt = k’ f [ A]n


donde k’ f es la pseudo constante de velocidad y n el pseudo orden de la reacción. Debido a la naturaleza compleja de los alimentos, es difícil determinar los mecanismos de las reacciones intermedias que llevan a un particular cambio en la calidad. En la práctica, la degradación de los alimentos y en consecuencia la pérdida de vida útil está representada por la pérdida de los factores de calidad deseados (Qd ), por ejemplo, nutrientes, flavor característico, etc. o por la formación de factores de calidad indeseables (Qi), por ejemplo, decoloración, flavor desagradable, etc. Según lo dicho anteriormente, la pérdida de Qd y la formación de Qi vendrán expresadas por: – –

d [Qd ] dt d [Qi] dt

= k [Qd ]n = k’ [Qi]n’



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donde [Qd ] y [Qi] son normalmente parámetros químicos, físicos, microbiológicos o sensoriales cuantificables de un sistema alimentario concreto, k y k´ son las constantes aparentes o pseudo constantes de velocidad de reacción y n y n´ son los órdenes aparentes o pseudo ordenes de la reacción. Los ordenes y las constantes aparentes de velocidad de reacción se determinan experimentalmente, midiendo las variaciones de [ Qd ] y [Qi] con respecto al tiempo. Representando gráficamente los valores obtenidos, se podrán trazar las correspondientes curvas o bien ajustar los datos por mínimos cuadrados a la ecuación apropiada. Resumiendo, para un atributo de calidad Q se puede escribir la expresión general dQ ± dt = kQn

donde ± se refiere al incremento o disminución del valor del atributo Q, k es la pseudo constante de velocidad de reacción cuando ésta se desplaza hacia la derecha y n es el orden aparente de esta reacción. Se asume que los factores ambientales tales como temperatura, humedad y luz, así como las concentraciones de los otros componentes permanecen constantes. Para un atributo de calidad que disminuya con el tiempo, la ecuación anterior se puede escribir: dQ – dt = kQn


[2]

4.1. REACCIÓN DE ORDEN CERO Consideremos un atributo de calidad Q, que disminuye de forma lineal durante el periodo de almacenamiento, como se representa en la gráfica 1. Una disminución lineal del atributo implica que su variación con respecto al tiempo es constante, y que, por lo tanto, la pérdida de dicho atributo no depende de su concentración. La relación lineal entre atributo y tiempo se obtiene cuando la reacción es de orden cero, por lo tanto si en la ecuación anterior [2] se hace n = 0, tendremos: –

dQ = k dt


[3]

58


Integrando esta ecuación se obtiene: Q = Q0 – kt

donde Q0 representa el valor inicial del atributo de calidad y Q es el valor que toma dicho atributo después de transcurrido el tiempo t .

Tiempo de almacenamiento (t)

Gráfica 1.–Disminución de un atributo de calidad durante el almacenamiento del alimento. Reacción de orden cero. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Si el final de la vida útil, t u , se alcanza cuando el atributo de calidad toma un cierto valor, llamado Qƒ, tendremos: Q f = Q0 – k t u

En consecuencia, la vida útil t u será: Q0 – Q f t u = k

[4]

El empleo de una ecuación de orden cero es útil en la descripción de procesos tales como la degradación enzimática, el pardeamiento no enzimático y la oxidación de los lípidos que lleva al desarrollo de olores rancios.



59

4.2. REACCIÓN DE PRIMER ORDEN Consideremos ahora la gráfica 2, en la que el atributo de calidad Q disminuye de forma exponencial durante el periodo de almacenamiento. En este caso, el ritmo de pérdidas del atributo de calidad depende de la cantidad que queda del mismo, y esto implica que a medida que el tiempo avanza y el atributo de calidad disminuye la velocidad de reacción es cada vez menor. La relación exponencial entre el atributo de calidad y el tiempo se puede explicar con una reacción de primer orden, n = 1, por lo tanto la ecuación [2] quedará: dQ = kQ dt

– Integrando se obtiene:

Q 1n Q = kt 0

donde Q es la cantidad de atributo que queda en el tiempo t . 1n Q = 1n Q0 – kt que en la forma exponencial sería: Q = Q0 e –kt


Gráfica 2.–Disminución de un atributo de calidad durante el almacenamiento del alimento. Reacción de primer orden.


60


Como en el caso anterior, el final de la vida útil ( t u) se alcanzará cuando el atributo de calidad tome el valor Q f , por lo que tendremos: 1n Q f = 1n Q0 – kt u

t u =

1n Q0 – 1n Q f k

[5]

Entre las reacciones de deterioro de los alimentos que se rigen por ecuaciones de primer orden, tenemos las pérdidas de vitaminas y de proteínas y el crecimiento microbiano. En algunas ocasiones es interesante conocer la vida media de un producto, es decir el tiempo de almacenamiento necesario para que el valor del atributo considerado se reduzca a la mitad de su valor inicial: Q0 Q f = 2

En el caso de una reacción de orden cero tendríamos: Q0 Q0 – —– 2 = Q0 t 1/ = ———— 2k 2 k . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

y en el caso de que la reacción sea de primer orden: Q 1n Q0 – 1n —–0 2 = 1n2 = 0,693 t 1/ = ——————– k k 2 k

Del mismo modo que se han establecido las funciones de calidad y el tiempo de vida media para las reacciones de orden cero y de primer orden, pueden calcularse para los otros órdenes, como se recoge en la tabla 4.



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Tabla 4. Forma de la función de calidad y tiempo de vida media para reacciones de diferente orden Orden aparente de la reacción

Función de calidad

Tiempo de vida media (t1/2)

0 1 2 n (n ≠ 1)

Q0 – Q f 1n (Q0/Q f ) 1/Q f – 1/Q0

Q0 / (2k 0) 1n 2/k 1 1 / (k 2 Q0)

1 (Q f 1–n – Q10 –n) n–1

2n –1 – 1 1 –n A k n (n – 1) 0

La mayoría de las reacciones estudiadas en los alimentos, se han caracterizado como de orden pseudo cero o de pseudo primer orden. En la tabla 5 se indican algunos ejemplos significativos. Tabla 5. Reacciones de pérdida de calidad que siguen cinéticas de orden cero y de primer orden Orden cero Primer orden


Calidad global de alimentos congelados Pardeamiento no enzimático Pérdida de vitaminas Muerte/desarrollo microbiano Pérdida de color por oxidación Pérdida de textura en tratamientos térmicos

Hay que ser cuidadoso en el momento de tomar la decisión de cual es el orden aparente apropiado para una determinada reacción. En efecto, si no se permite que la transformación estudiada tenga lugar durante un tiempo suficientemente largo, las reacciones de orden cero y de primer orden admiten el mismo ajuste, como puede verse en la gráfica 3. Es decir, que una reacción de primer orden se podrá tratar como si fuera de orden cero siempre y cuando los cambios producidos en el atributo, se encuentren en el rango en que las dos curvas coinciden. Sin embargo, la utilización de un modelo de orden cero extrapolado a cambios en el atributo mayores, puede llevar a serios errores, si en la realidad la reacción fuera de primer orden. 4.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA Las aproximaciones hechas hasta ahora para definir la cinética de la evolución de un atributo asumen que las condiciones ambientales son constan-


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Gráfica 3.–Disminución de un atributo de calidad de un alimento siguiendo dos ordenes de reacción distintos.


tes. Sin embargo, un modelo cinético completo de pérdida de vida útil debe considerar no sólo el alimento sino también las condiciones ambientales en las que se desarrolla la experiencia. Por lo tanto, se deberán incluir como variables en el modelo cinético, aquellos factores ambientales que afecten fuertemente a las constantes de velocidad de reacción y que sean más susceptibles de sufrir variaciones durante la vida útil del alimento. Entre los factores ambientales que se han citado anteriormente: temperatura, humedad relativa, presión total y parcial de los diferentes gases, luz, etc. el que se incluye en los modelos matemáticos es la temperatura. Esto se justifica por el hecho de que la temperatura, además de afectar fuertemente a las constantes de velocidad de las reacciones, es el único factor que, la mayoría de las veces, le es impuesto externamente al alimento y no puede ser controlado por un envase apropiado. Si se representa la variación del valor del atributo con respecto al tiempo a distintas temperaturas, se obtendrán una serie de curvas como las de las gráficas 4 y 5, según que las reacciones de deterioro sean de orden cero o de primer orden. En ambos casos, la pendiente de las curvas se incrementa al aumentar la temperatura, por lo que tendremos que si T3 > T2 > T1 => k 3 > k 2 > k 1 .



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Gráfica 4.–Influencia de la temperatura en una reacción de deterioro de orden cero.

La influencia de la temperatura sobre la constante de velocidad de la reacción se puede describir utilizando la ecuación desarrollada por Svante Arrhenius, para explicar la cinética de la inversión de la sacarosa en 1889:


E A k = k 0 exp – RT

[

]

[6]

donde: k 0 = factor pre-exponencial (s –1) E A = energía de activación (kJ.mol –1) R = constante de los gases perfectos (kJ.mol –1.K –1 T = temperatura en la escala absoluta (K) Según esta ecuación, la reacción que se esté considerando se produce sólo cuando el calor ha conseguido la activación de las moléculas. La energía de activación se puede definir como la mínima energía que deben poseer las moléculas antes de que ocurra la reacción y el término exponencial es la fracción de moléculas que poseen esta energía mínima.


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Gráfica 5.–Influencia de la temperatura en una reacción de deterioro de primer orden.

Si pasamos a la forma logarítmica: E A 1 1n k = 1n k 0 – R T . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

[7]

Vemos que existe una relación lineal entre el logaritmo de la constante de velocidad y la inversa de la temperatura absoluta, como se aprecia en la gráfica 6. La ordenada en el origen de esta recta será el logaritmo del factor preexponencial y la pendiente será el cociente de la energía de activación y la constante de los gases perfectos. Con frecuencia en la literatura se emplea otro parámetro para describir la relación entre la temperatura y la constante de velocidad de reacción: el valor Q10 , que se define como: Q10 =

k T + 10 k T


[8]


65

Gráfica 6.–Influencia de la temperatura sobre la constante de velocidad de la reacción de deterioro.


donde: k T = constante de velocidad de reacción a la temperatura T k T + 10 = constante de velocidad de reacción a la temperatura T + 10ºC Entre el valor Q10 y la energía de activación E A existe una relación, como se demuestra a continuación. De acuerdo con la ecuación [6], se puede escribir: k T + 10 = k 0 e

[

k T = k 0 e

–

[

–

E A R(T + 10) E A RT

]

]

por lo tanto –

E A R(T + 10)

K T + 10 k 0 e = —————— Q10 = ——— =e E – k T k 0 e RT

E A E A – RT R(T + 10)

A


66


E A E A E A 1n Q10 = – = RT R(T + 10) R E A 1n Q10 = R

[

(

1 1 – T T + 10

)

]

10 T (T + 10)

4.4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS CINÉTICOS Para describir la influencia de la temperatura sobre las constantes de velocidad de reacción, tal como indica la expresión de Arrhenius, es necesario conocer los valores de los parámetros cinéticos tales como el factor pre-exponencial y la energía de activación. Son dos los procedimientos más empleados para determinar estos parámetros cinéticos: a) El método de la regresión lineal que implica representar el logaritmo de la constante de velocidad con respecto a la inversa de la temperatura (absoluta). Es necesario obtener constantes de velocidad de reacción al menos a tres temperaturas diferentes. La regresión lineal se utiliza para determinar la pendiente y la ordenada en el origen, obteniendo así valores para el factor pre-exponencial y la energía de activación de la ecuación anterior. b) El método de la regresión no lineal, utilizado para determinar la energía de activación directamente a partir de la concentración o nivel de un atributo de calidad. La expresión que describe el cambio de un atributo de calidad en una forma no lineal para una reacción de orden cero es: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

(

E A Qij = Q0 – k 0t ij exp – RT j

)

y para una reacción de primer orden la expresión es:

[

(

Qij = Q0 exp – k 0t ij exp –

E A RT j

)]

donde los subíndices i y j indican el tiempo y la temperatura de las correspon-



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dientes medidas del atributo de calidad. Labuza (1982) presentó una aproximación simple para determinar el efecto de la temperatura sobre la calidad del alimento. Su método es particularmente adecuado para situaciones en que los datos disponibles de la variable son escasos, por ejemplo en los casos en que los datos experimentales disponibles se refieren a los valores iniciales y finales de un determinado atributo de calidad en el transcurso de la vida útil. De acuerdo con las ecuaciones [4] y [5], para cualquier orden de reacción se puede escribir: F k = t tu u

donde el numerador es la función de calidad en el tiempo de vida útil, como se ha visto en la tabla 4, y el denominador es el valor de la vida útil. Aplicando logaritmos a ambos miembros de la ecuación: 1n k = 1n (F tu) – 1n t u Sustituyendo ln k por su valor en la forma logarítmica de la ecuación de Arrhenius [7], tendremos: 1n k 0 –

E A = 1n (F tu) – 1nt u RT

E A 1 1n t u = 1n (F tu) – 1nk 0 + R T . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

De acuerdo con esta última expresión, existe una relación lineal entre el logaritmo de la vida útil y la inversa de la temperatura absoluta, como puede verse en la gráfica 7. La pendiente de esta recta será el cociente de la energía de activación y la constante de los gases perfectos. Para un rango de temperatura pequeño, (menor de ± 20ºC), la vida útil (t u) se puede representar directamente contra la temperatura (T) sin cometer un error importante, como puede verse en la gráfica 8. t 0 representa la vida útil a la temperatura de referencia, a es la pendiente de la recta y T es la diferencia de temperatura entre la de referencia y aquella a la que se quiere conocer la vida útil. Para una reacción de orden cero, la vida útil y la constante de velocidad de reacción son inversamente proporcionales, por lo que la ecuación [8] se podría


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Gráfica 7.–Relación entre la vida útil y la inversa de la temperatura absoluta.

escribir: Vida útil a T ref (º C ) t 0 Q10 = = Vida útil a T (º C ) t u

cuando T = Tref + 10ºC . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Como hemos visto anteriormente: t u = t 0 e

– a (T – T ref )

t 0 a (T – T ) e = t u ref

siendo t 0 = vida útil a T ref (ºC) t u = vida útil a T (ºC) y en este caso: T – T ref = 10 ºC.


[9]


69

Gráfica 8.–Relación entre la vida útil y la temperatura.

Sustituyendo en [9]: Q10 = e

10a


o

1n Q10 a= 10

Por lo tanto, si conocemos el valor Q10 de la reacción que se está considerando, se podrá calcular la pendiente de la recta y así establecer cual será la vida media a cualquier temperatura. Este sistema es interesante cuando se emplean tests de vida media acelerada, trabajando a temperaturas altas para que los tiempos de las experiencias sean más cortos. Una vez obtenidos los valores de vida media a temperaturas altas, se podrá conocer la vida media a cualquier temperatura.

5. APLICACIÓN DE LA CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS EN LA PREDICCIÓN Y CONTROL DE LA VIDA ÚTIL Aunque la ecuación de Arrhenius presenta algunas limitaciones y posibles fuentes de desviación, puede ser utilizada para simular la degradación de los


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alimentos en un rango de temperaturas. Este modelo se puede emplear para predecir las constantes de velocidad de reacción y la vida útil de los alimentos a cualquier temperatura dentro de un rango. Los principios de evaluación de la vida útil y su tratamiento cuantitativo son necesarios para mejorar y desarrollar el almacenamiento y distribución de los alimentos, es decir, para la optimización de la cadena alimentaria. Evidentemente, para determinar la vida útil de un alimento, es esencial determinar qué factores limitan esta vida útil, tales factores pueden causar cambios químicos, físicos y biológicos que se traducen en un cambio en las características sensoriales del alimento. Si el factor limitante no se identifica correctamente, los estudios serán un fracaso. Además, como ya se ha indicado en el apartado anterior, las ecuaciones descritas son importantes para los tests de vida útil acelerada. Estos tests son útiles en el diseño y desarrollo de un nuevo producto o en la modificación de uno ya existente, puesto que permiten determinar la vida útil del mismo sin necesidad de esperar a que transcurra el tiempo necesario, que en algunos casos es muy largo. Los tests de vida útil acelerada implican el uso de altas temperaturas en las experiencias para conocer las pérdidas de calidad del alimento y su vida útil, y la extrapolación de los resultados a las condiciones normales de almacenamiento utilizando la ecuación de Arrhenius. De esta forma una experiencia que debía durar un año se puede completar en un mes. Otra aplicación de la cinética es el estudio de la dependencia del crecimiento microbiano de la temperatura, que está adquiriendo un desarrollo importante. Los principios cinéticos descritos se pueden aplicar a la modelización del desarrollo de los microorganismos, es lo que se llama microbiología predictiva. Para un rango de temperaturas por encima de la temperatura óptima de crecimiento, se utilizan dos ecuaciones simples: la de Arrhenius y la raíz cuadrada, que son suficientes, desde el punto de vista práctico, para modelizar dicha dependencia. El modelo de la raíz cuadrada tiene la forma:

 k = b (T – T min) donde k es la velocidad de crecimiento, b es la pendiente de la línea de regresión de   k con respecto a la temperatura y T mín es la temperatura hipotética de k = 0. La crecimiento a la que la línea de regresión corta el eje T para  relación entre Q10 y esta expresión es

(

T – T min + 10 Q10 = T – T min

)

2




71

Tradicionalmente los modelos matemáticos que relacionan el número de microorganismos y la temperatura se han dividido en dos grupos: los que describen la propagación o el crecimiento a un rango bajo de temperaturas y los que describen la destrucción térmica, de estos últimos se tratará en el Capítulo IV, aquí solo se hará referencia a los primeros que tienen, entre otras, una aplicación importante: en el sistema de Análisis de Riesgos Identificación y Control de Puntos Críticos (A.P.P.C.C.). El sistema A.P.P.C.C. es una filosofía que se ha aplicado a la producción de alimentos, con el objetivo de asegurar la calidad y la seguridad de los mismos. Siete principios rigen la aplicación de este sistema: 1. Identificar y enumerar la lista de riesgos y especificar las medidas de control. 2. Identificar los Puntos Críticos. 3. Establecer los límites y las tolerancias para asegurar que cada Punto Crítico está bajo control. 4. Establecer un sistema de monitorización para asegurar el control del Punto Crítico. 5. Establecer la acción correctora a tomar cuando se aprecia que un Punto Crítico está fuera de control. 6. Establecer los registros necesarios. 7. Establecer el procedimiento de verificación. Estos Puntos Críticos pueden ser debidos a riesgos de naturaleza física, química o biológica, cuando se consideran los riesgos de naturaleza biológica, se requieren conocimientos específicos de los factores que afectan al crecimiento, supervivencia e inactivación de los microorganismos. Los modelos predictivos se pueden utilizar para indicar si existe un riesgo en un paso particular del proceso (principio 1). Para determinar si un paso del proceso es crítico (principio 2) también se puede obtener información por medio de modelos. Una vez que un paso del proceso se ha identificado como Punto Crítico, su control es esencial, los modelos predictivos pueden utilizarse para identificar el valor óptimo de la operación correcta en este paso y las tolerancias permitidas (principio 3). Así pues, la utilización de modelos pueden ayudar a la aplicación del Sistema A.P.P.C.C. en la fabricación de alimentos, para asegurar la calidad, ya que permite emplear información objetiva y sistemática para el desarrollo del proceso.


CAPÍTULO SEGUNDO

Métodos industriales de conservación de alimentos 1. FUNDAMENTOS DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS


Como se ha indicado anteriormente la causa principal del deterioro de los alimentos es el desarrollo y proliferación de microorganismos, que generalmente no se encuentran en el interior de los tejidos de las plantas y de los animales sanos, pero siempre están presentes y dispuestos a invadirlos si hay una rotura de la piel, o si ha sido debilitada por enfermedad o muerte. Así mismo, hasta el momento de la cosecha o del sacrificio las reacciones enzimáticas, producidas por las enzimas naturales de los alimentos, son controladas y equilibradas en la planta o en el animal que vive normalmente, pero a partir de ese momento dicho equilibrio se pierde. Si los alimentos deben conservarse sólo durante un corto periodo de tiempo, se dispone de dos posibilidades: • Mantener el alimento vivo el mayor tiempo posible. Un ejemplo de esta posibilidad es la conservación de las langostas vivas en los restaurantes. • Cuando no es posible mantener vivo el alimento, hay que cubrirlo y enfriarlo, con lo cual se retardan los factores de descomposición, pero sólo durante un tiempo muy breve. Para la conservación durante un periodo más largo que requieren la mayoría de nuestros alimentos, hacen falta otras precauciones, cuya finalidad es, generalmente, la inactivación o control de los microorganismos que, como ya se ha dicho, son la causa principal de la descomposición. El alimento, o sustrato, determina los microorganismos que pueden desarrollarse, si se conocen las características del alimento se puede predecir la


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flora microbiana que es posible que crezca en él. Para comprender los principios básicos que rigen tanto la alteración como la conservación de los alimentos, es necesario recordar algunos principios fundamentales del crecimiento de los microorganismos y conocer los factores que favorecen o inhiben su multiplicación. Cuando los microorganismos se encuentran en un ambiente óptimo para su desarrollo, se multiplican con tiempos de duplicación muy breves que, en la mayor parte de los casos, son del orden de pocos minutos. Se comprende pues, que, en estos casos, el número de microorganismos puede alcanzar al cabo de pocas horas valores numéricos extremadamente elevados, incluso del orden de varios millares (tabla 1). Tabla 1. Multiplicación de bacterias en leche (a temperatura ambiente) Horas de almacenamiento

0 24 48 72 96


Cuenta bacteriana por ml

137.000 24.674.000 639.885.000 2.407.083.000 5.346.667.000

La reproducción microbiana no se produce de forma indefinida, una vez se alcanza un limite determinado, como puede ser el agotamiento de los factores nutritivos disponibles, la mortalidad supera al número de células que se reproducen, por lo que se aprecia una reducción de las mismas. La curva de crecimiento de un cultivo microbiano se puede subdividir en varias fases, como se puede apreciar en la gráfica 1: • Fase lag: en esta fase el número de microorganismos permanece constante, o incluso puede disminuir, como consecuencia de la adaptación de los microorganismos al medio. Corresponde al tramo AB de la curva. • Fase estacionaria de crecimiento: una vez superada la fase anterior, de adaptación de los microorganismos al medio, comienzan su multiplicación lentamente, con tiempos de duplicación notablemente largos. Corresponde al tramo BC de la curva. • Fase logarítmica: en este periodo los microorganismos se multiplican activamente y su número aumenta en progresión geométrica. Los tiempos de duplicación son muy breves. Corresponde al tramo CD de la curva. • Fase de crecimiento negativo: el número de microorganismos continúa aumentando pero con un ritmo mucho menor, los tiempos de duplicación son más largos. es el tramo DE de la curva. • Fase estacionaria: en esta fase se establece un equilibrio entre la reproducción y la muerte de los microorganismos, por lo que su número per-


Métodos industriales de conservación de alimentos

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Gráfica 1.–Curva de crecimiento microbiano.


manece prácticamente constante. Corresponde esta fase al tramo EF de la curva. • Fase de muerte acelerada: el número de gérmenes que mueren supera al de los que se reproducen, en consecuencia disminuye el número de microorganismos. Corresponde al tramo FG. • Fase de muerte o fase de declive : durante la cual el número de células que mueren es mayor que el de las que se forman. Tramo GH de la curva. • Fase de supervivencia : durante el cual no existe división celular, las células que sobreviven lo hacen a expensas de nutrientes endógenos. A partir de la curva de crecimiento se puede calcular el tiempo de generación de los microorganismos, es decir, el tiempo que transcurre entre la formación de una célula hija y su división para dar dos nuevas células. Para calcular los tiempos de duplicación de los diferentes microorganismos es suficiente con establecer el número de duplicaciones que se producen durante un intervalo de tiempo determinado, es lógico que los tiempos de duplicación que interesan fundamentalmente son los que tienen lugar durante la fase logarítmica. El número de generaciones se calcula con la ecuación siguiente:


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n=

log a – log b log 2

donde:

n = número de generaciones log a= logaritmo del número de microorganismos al final de la fase logarítmica log b = logaritmo del número de microorganismos al inicio de la fase logarítmica de aquí: log 2 G= t log a – log b

donde t = tiempo. El tiempo de generación más corto se da en la fase de crecimiento logarítmico, y su duración dependerá de las condiciones existentes en el medio mientras se están multiplicando los microorganismos, es decir, del tipo de alimento, de su pH, de la temperatura, del potencial de oxido-reducción, de la humedad disponible, etc.

2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DESARROLLO MICROBIANO


A continuación se exponen los diferentes factores que condicionan, de forma favorable o desfavorable, a la causa biológica más importante de la degradación de los alimentos: los microorganismos. Los principales factores de la composición de todo alimento que influyen en la actividad microbiana son: el pH, la humedad, el potencial de oxidoreducción y la presencia de sustancias inhibidoras, a los que hay que añadir la temperatura a la que se encuentre el alimento. 2.1. INCIDENCIA DEL PH La acción del pH sobre el crecimiento de los microorganismos tiene lugar a tres niveles: el medio, puesto que la disponibilidad de ciertos nutrientes en el medio de cultivo sufre modificaciones en función del equilibrio iónico, la permeabilidad de la membrana, que se ve afectada por las variaciones en la concentración de iones H+ y OH – y la actividad metabólica, las reacciones enzimáticas presentan un óptimo de actividad por encima o por debajo del cual su cinética sufre cambios, por lo tanto toda variación del pH citoplasmático implica una disminución de la actividad enzimática y, en consecuencia, del crecimiento del microorganismo.



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Cada microorganismo tiene por tanto un pH mínimo, un pH óptimo y un pH máximo de crecimiento. En la tabla 2 se indican los rangos de pH y los valores óptimos para el crecimiento de algunos microorganismos. En general, las levaduras y los mohos toleran mejor la acidez que las bacterias. Dentro de las bacterias patógenas, los microorganismos de los géneros Vibrio y Clostridium son más sensibles a variaciones de pH que la mayor parte de las demás bacterias, mientras que Escherichia coli , Salmonella y Staphylococcus aureus son las más resistentes, este último aunque resiste un pH de 4,2 sufre una fuerte reducción de su crecimiento. El pH más bajo al que es capaz de crecer Clostridium botulinum es 4,8 para los tipos A y B y de 5,7 para el E, el más bajo para que pueda producirse toxina es también de 4,8. Tabla 2. Límites de pH para el crecimiento de algunos microorganismos (Jay, 1986)


Mohos Levaduras Bacterias Bacterias acéticas Bacterias lácticas L. plantarum Leu. cremoris S. lactis L. acidophilus Pseudomonas P. aeruginosa Enterobacterias S. typhi E. coli Staphylococcus Clostridium Cl. botulinum Cl. perfringens Cl. sporogenes Bacillus

Mínimo

Óptimo

Máximo

1,5-3,5 1,5-3,5 4,5 4,0 3,2 3,5 5,0 4,1-4,8 4,0-4,6 5,6 4,4-4,5 5,6 4,0-4,5 4,3 4,2 4,6-5,0 4,8 5,5 5,0-5,8 5,0-6,0

4,5-6,8 5-6,5 6,5-7,5 5,4-6,3 5,5-6,5 5,5-6,5 5,5-6,0 6,4 5,5-6,0 6,6-7,0 6,6-7,0 6,5-7,5 6,5-7,2 6,0-8,0 6,8-7,5

8,0-11,0 8,0-8,5 11,0 9,2 10,5 8,0 6,5 9,2 7,0 8,0 8,0-9,0 9,0 8,0-9,6 9,0 9,3 9,0 8,2 8,5 8,5-9,0 9,4-10,0

6,0-7,6 6,0-7,6 6,8-7,5

Los alimentos cuyo pH es bajo (valores inferiores a 4,5) no son alterados fácilmente por las bacterias, siendo más sensibles a la alteración por levaduras y mohos. El pH de los alimentos depende no sólo de la cantidad de sustancias ácidas y básicas que contenga, sino también de la capacidad tampón del producto, que generalmente está asociada a la concentración de proteínas, por esta razón, en las frutas y hortalizas la adición de sustancias ácidas, de origen


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fermentativo o no, produce variaciones importantes de pH, debido a su baja capacidad tampón. En la tabla 3 se recoge el pH de los principales alimentos. El pH del músculo se encuentra próximo a la neutralidad, la paralización de la circulación sanguínea y el consumo del oxígeno residual hacen que se produzca una fermentación láctica del glucógeno por enzimas endógenas, con lo cual se produce una bajada de pH, variable según las especies, los músculos y las cantidades de glucógeno presentes, que a su vez están en función del estado de reposo, del estrés y del estado de salud del animal. Tabla 3. pH aproximado de algunos alimentos Alimentos

Carne de vacuno Carne de cerdo Carne de pollo Pescado Salmón Sardinas Camarones Atún Leche Mantequilla Queso parmesano Queso Roquefort Pan Ostras Pato


pH

5,3-6,2 5,3-6,4 5,8-6,4 6,5-6,8 6,1-6,3 5,7-6,6 6,8-7,0 5,9-6,1 6,3-6,5 6,1-6,4 5,2-5,3 4,7-4,8 5,0-6,0 6,3-6,7 5,0-5,7

Alimentos

Zanahorias Patatas Cebollas Tomates Guisantes Pimientos Piña Espinacas Manzanas Naranjas Judías verdes Champiñones Melocotones Uvas Limones

pH

5,2-6,0 5,4-6,2 5,3-5,8 4,2-4,9 5,6-6,5 4,7-5,2 3,2-4,0 5,1-5,8 2,9-3,3 3,6-4,3 4,9-5,5 6,0-6,5 3,4-4,2 3,4-4,5 2,2-2,4

El pH del pescado, en general, es más alto que el de la carne, lo cual se debe, en parte, al agotamiento de reservas durante la captura. Existen diferencias importantes en el pH final según el tipo de pescado, la pescadilla por ejemplo tiene el pH más alto que el del rodaballo, este último tiene el pH más bajo que se conoce y evidentemente presenta un mayor poder de conservación. El pH de los crustáceos es, por lo general, más elevado que el de los pescados, de 6,8 a 7,4 en el centollo y de 7,1 a 8,2 en las gambas. La clara de los huevos presenta un pH alcalino (7,6) pero puede llegar hasta 9 cuando los huevos se almacenan al aire, debido a las pérdidas de CO2, lo cual limita el crecimiento de microorganismos, la yema tiene un pH menor: de 6 a 6,3. Las frutas en general, como se aprecia en la tabla 3, presentan un pH muy bajo en comparación con otros alimentos, razón por la cual sus alteraciones se deben a mohos principalmente. Las hortalizas presentan un pH algo más alto, lo que permite ya el desarrollo bacteriano.



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2.2. NECESIDADES DE AGUA Los microorganismos necesitan agua para su crecimiento, que utilizan de dos formas, como solvente de nutrientes para permitir su transporte y disponibilidad en el citoplasma, y como agente químico que interviene en las reacciones hidrolíticas que dan lugar a monómeros, necesarios para la síntesis microbiana, y para las reacciones energéticas. La “actividad de agua” (aw) indica la disponibilidad de agua, de un medio determinado, para las reacciones químicas, bioquímicas y para las transferencias a través de membranas semipermeables. Su valor oscila entre 0 y 1. Se define como la relación entre la presión de vapor del agua en la disolución (p) y la presión de vapor del agua pura (p0) a la misma temperatura: aw =


p p0

La humedad relativa (HR) del ambiente, en un medio cerrado, está relacionada con la aw de un producto: aw = HR/100. Toda disminución de la aw afecta al crecimiento bacteriano, la mayor parte de las bacterias presentan un crecimiento óptimo alrededor de 0,990-0,995. En alimentos con aw baja (0,61-0,85) las alteraciones microbianas más frecuentes son producidas por mohos. En la tabla 4 se indican los valores mínimos necesarios de aw para el crecimiento de diversos microorganismos. La disminución de la actividad de agua lleva consigo un fenómeno de plasmólisis de la célula, Staphylococcus aureus por ejemplo, pierde un 50 % de su agua intracelular cuando la aw pasa de 0,995 a 0,950, esto disminuye o paraliza el crecimiento de los microorganismos como consecuencia de la inhibición de las actividades enzimáticas. Existen algunos factores que influyen sobre las necesidades de aw de los microorganismos: • El tipo de soluto utilizado para reducir la aw, para algunos microorganismos, sobre todo los mohos, la actividad a w mínima de crecimiento es prácticamente independiente del tipo de soluto utilizado. Otros microorganismos en cambio tienen valores de a w limitantes del crecimiento según el soluto utilizado. El cloruro potásico, por ejemplo, suele ser menos tóxico que el cloruro sódico y éste tiene, a su vez, menor poder inhibidor que el sulfato sódico. • En general, cuanto más apropiado sea el medio de cultivo para el desarrollo de los microorganismos, tanto menor es el valor de la aw limitante. • A temperaturas próximas a la temperatura óptima de crecimiento, la mayoría de los microorganismos tienen una tolerancia máxima a los valores bajos de la aw.


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• Cuando en el medio existe aire, la multiplicación de los microorganismos aerobios se produce a valores más bajos de aw que cuando no existe aire, cuando se trata de microorganismos anaerobios ocurre, lógicamente, lo contrario. • A valores de pH próximos a la neutralidad, la mayoría de los microorganismos son más tolerantes a a w baja que cuando se encuentran en medios ácidos o básicos. • La presencia de sustancias inhibidoras reduce el intervalo de valores de aw que permite la multiplicación de los microorganismos.

Tabla 4. Valores mínimos de a w para el crecimiento de algunos microorganismos (Bourgeois, 1996) BACTERIAS Acinetobacter C. botulinum E. C. perfringens P. fluorescens E. coli Salmonella sp. C. botulinum A, B B. subtilus S. aureus Bacterias halófilas


> 0,910 0,990 0,979 0,970 0,970 0,957 0,950 0,950 0,900 0,860 0,750

LEVADURAS S. cerevisiae Rhodotorula Levaduras osmofílicas

> 0,87 0,90-0,94 0,90 0,62

MOHOS Botrytis cinerea Fusarium Mucor A. clavatus P. expansum A. flavus Mohos xerófilos

> 0,70 0,93 0,90 0,80-0,90 0,85 0,85 0,78 0,70

En los alimentos una aw inferior a 0,7 se considera el límite inferior que presenta todas las garantías de estabilidad, sin embargo 0,91 es una cifra que sólo indica que por debajo de ella los microorganismos están fuertemente frenados; este es el límite propuesto por la directiva comunitaria de 1977 para la conservación de los alimentos a temperatura ambiente, este límite puede elevarse incluso a 0,95 con la condición de que vaya acompañado por un pH igual o inferior a 5,2. La mayoría de los productos frescos, como las frutas, hortalizas, carne, leche y pescados tienen una aw de 0,970 a 0,996. En la tabla 5 se indican los valores medios de los principales productos frescos. Todos estos productos son por tanto favorables para el crecimiento bacteriano, salvo las frutas en las que se desarrolla una flora fúngica, debido a los valores bajos de pH y a que la aw es algo más baja que en los demás productos frescos, por su contenido en azúcares solubles.



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Tabla 5. Valores aproximados de aw de algunos alimentos (Bourgeois, 1996) Alimento

Carne de vacuno Carne de cerdo Pescado Productos de charcutería Leche Alcachofas Zanahorias Pepinos Setas Patatas

aw

0,990-0,980 0,990 0,994-0,990 0,950-0,850 0,995 0,987-0,976 0,989-0,983 0,998-0,992 0,995-0,989 0,985

Alimento

Tomates Manzanas Cerezas Uvas Limones Melones Naranjas Melocotones Confituras Cereales

aw

0,991 0,980 0,977 0,986-0,963 0,984 0,991-0,988 0,988 0,985 0,800-0,750 0,700

2.3. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN


El potencial de óxido-reducción, o poder oxidante y reductor, del propio alimento, influye en el tipo de microorganismo que se desarrollará en él y, por lo tanto, en las modificaciones que se producirán. En función de sus exigencias en oxígeno y/o en su toxicidad, los microorganismos se clasifican en: • aerobios estrictos (Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus ) cuando necesitan oxígeno libre, es decir necesitan oxígeno como aceptor final de electrones, no tienen la posibilidad de utilizar una vía fermentativa. • anaerobios estrictos (Clostridium, Bacteroides, Peptococcus, Prionibacterium, etc.) cuando crecen mejor en ausencia de oxígeno libre, presentan obligatoriamente un metabolismo fermentativo. • aerobios facultativos (Enterobacterias, Staphylococcus), que pueden desarrollarse en presencia o ausencia de oxígeno. La disminución del contenido de oxígeno en la atmósfera tiene como consecuencia la ralentización de la respiración. El efecto sobre la actividad respiratoria es particularmente marcado por debajo de 8 a 10% de oxígeno (gráfica 2), una hipoxia excesiva implica evidentemente un metabolismo fermentario. La disminución de la concentración de oxígeno aumenta por tanto la vida útil de los productos, siempre que se elija convenientemente. 2.4. SUSTANCIAS INHIBIDORAS Son moléculas que poseen un poder bacteriostático y/o bactericida, algunas pueden ser específicamente inhibidoras de mohos. Existe una amplia gama de sustancias, que desarrollan una acción inhibidora, tanto por su composición química como por los mecanismos de actuación. Se encuentran en estado natural en los tejidos animales y vegetales y se pueden producir también por fer-


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Gráfica 2.–Variación de la intensidad respiratoria de un órgano vegetal en función del contenido de oxígeno en la atmósfera (IR x: intensidad respiratoria en la atmósfera considerada (x % de oxígeno); IR aire : intensidad respiratoria en el aire).

mentación. Pueden ser, además, añadidas por el hombre para la conservación de los alimentos. 2.5. TEMPERATURA . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Es uno de los factores más importantes por su influencia en el crecimiento de los microorganismos, determina el estado físico del agua en un determinado medio y, por tanto, su mayor o menor disponibilidad para el crecimiento de los microorganismos, la temperatura actúa, además, sobre la velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas. Los microorganismos se clasifican en tres grandes grupos en función de la temperatura: • psicrótrofos y psicrófilos : Los psicrófilos son gérmenes adaptados al frío, se desarrollan a 0ºC con un óptimo de crecimiento comprendido entre 15 y 20ºC. Los psicrótrofos son capaces de adaptarse y desarrollarse a temperaturas próximas a 0ºC, pero tienen un óptimo de crecimiento entre 25 y 35ºC, lo que les aproxima a los mesofilos. Su metabolismo es lento y son poco competitivos con otros cuando aumenta la temperatura. Esta característica velocidad de crecimiento lenta hace que



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la invasión de los alimentos dure de una a tres semanas, con un tiempo de generación del orden de 24 horas a 0 ºC. Los psicrótrofos son los microorganismos dominantes en todos los alimentos refrigerados. Incluyen numerosas especies, cuyos principales géneros son: Pseudomonas, Erwinia , Corynebacterium, Lactobacillus , etc. La mayor parte de las levaduras y de los mohos son psicrótrofos. Estos microorganismos raramente son patógenos. • mesofilos: se multiplican a temperaturas entre +20 y +45ºC, con un óptimo decrecimiento a 37ºC, sus tasas de crecimiento son elevadas y la duración de su proliferación por tanto, es relativamente corta. Las principales especies de bacterias se incluyen en este grupo. Se pueden encontrar en alimentos almacenados a temperatura ambiente o en alimentos refrigerados cuando se ha roto la cadena del frío. • termófilos: son capaces de desarrollarse a temperaturas elevadas, entre 45 y 65ºC, con un óptimo a 55ºC. Presentan una tasa de crecimiento muy elevada pero con una duración corta. Pueden encontrarse en el agua, aire y suelo. En este grupo se incluyen sobre todo los géneros de Bacillus y Clostridium y los mohos Aspergillus , Cladosporium y Thamnidium. El descenso de la temperatura tiene como efecto esencial la reducción global de la actividad metabólica de los órganos vegetales y animales. Este efecto del frío se traduce en una menor degradación de las reservas y en una menor producción de calor, por lo tanto aumentará la longevidad de los productos. En la gráfica 3 se muestra que la duración teórica de la conservación se incrementa mucho con la disminución de la temperatura, se trata de una curva teórica pues sólo es válida para productos no sensibles al frío.


3. PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS En la conservación de los alimentos, tiene una gran importancia el prolongar cuanto sea posible las dos primeras fases que se han descrito anteriormente del crecimiento microbiano: la fase lag y la fase estacionaria de crecimiento (gráfica 1), es decir los tramos AB y BC . Esto se puede conseguir de diferentes formas: 1. Aportando el menor número posible de microorganismos, es decir, reduciendo el grado de contaminación; cuanto menor es el número de microorganismos, tanto más se prolonga la fase lag. 2. Evitando la incorporación de microorganismos en fase de crecimiento activo (es decir procedentes de la fase de crecimiento logarítmico). Estos microorganismos pueden estar creciendo en los equipos, recipientes, utensilios, etc. que entran en contacto con los alimentos.


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3. Por medio de uno o más factores adversos del medio : nutrientes, humedad, temperatura y potencial óxido-reducción adversos, o existencia de sustancias inhibidoras. Cuanto más adversas sean las condiciones del medio, tanto más se retardará la iniciación de la multiplicación microbiana. 4. Por medio de daño real a los microorganismos con distintos sistemas de tratamiento, como por ejemplo los tratamientos térmicos.


Gráfica 3.–Variación de la duración de la conservación de un producto en función de la temperatura.

La descomposición microbiana de los alimentos se evitará si se destruyen, o se eliminan, todos los microorganismos que producen alteraciones y se evita que se vuelvan a contaminar. Ahora bien, como se ha visto en el Capítulo anterior, los microorganismos son la principal causa del deterioro de los alimentos pero no la única, por lo tanto el hecho de detener la multiplicación de los microorganismos no necesariamente evita su descomposición. Algunos de los procedimientos utilizados para regular la actividad de los microorganismos son eficaces también tanto frente a la actividad enzimática existente en el alimento como frente a las reacciones químicas. Pero otros procedimientos como la desecación o el empleo de temperaturas bajas, permiten que continúe



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la descomposición natural del alimento si no se adoptan precauciones especiales, la mayoría de las hortalizas, por ejemplo, se escaldan antes de la congelación con el fin de inactivar las enzimas, lo mismo ocurre en el caso de la deshidratación. Por lo tanto en los procedimientos de conservación de los alimentos se deberá: • Prevenir o retrasar la actividad microbiana • Prevenir o retardar la descomposición de los alimentos: destruyendo o inactivando sus enzimas, por ejemplo por medio del escaldado y previniendo o retardando las reacciones puramente químicas, por ejemplo, impidiendo la oxidación utilizando un antioxidante. • Prevenir las lesiones debidas a insectos, roedores, causas mecánicas, etcétera. Los procedimientos utilizados para la conservación de alimentos se dirigen fundamentalmente al control de los microorganismos, por lo tanto se basan en la intervención sobre los factores que afectan a su actividad, y que se acaban de describir: pH, necesidad de agua, potencial de óxido-reducción, sustancias inhibidoras y temperatura. Pero en todos los casos hay que tener en cuenta que cuando en el alimento existe un número inicial de microorganismos reducido, su conservación por cualquiera de los procedimientos que a continuación se indican, es más fácil que cuando su número inicial es elevado, de ahí la importancia que, en la conservación de los alimentos, presenta la reducción de la contaminación y la aplicación de buenas prácticas de fabricación; la implantación del sistema Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (A.P.P.C.C.), al que se hizo referencia en el Capítulo anterior, contribuye de forma importante al control de los microorganismos. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

3.1. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA DISMINUCIÓN DEL pH Algunos procedimientos de conservación de alimentos se basan en la intervención sobre el pH del medio. Anteriormente se ha tratado la sensibilidad de los diferentes microorganismos a pH bajos, a la acidez. En los métodos industriales de conservación esta reducción del pH se puede conseguir de dos formas: por adición de ácido al alimento ( acidificación artificial) o por acidificación natural (fermentación láctica, por ejemplo), unos microorganismos son mucho más sensibles que otros y el ácido producido por un tipo de microorganismo durante la fermentación inhibe la proliferación de otro tipo, este es uno de los principios en que se basa la fermentación bajo control como medio de conservación de los alimentos, ejemplos de este tipo de conservación son el yogur, los encurtidos, etc.


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3.2. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA REDUCCIÓN DEL AGUA DISPONIBLE Los microorganismos necesitan agua para su desarrollo, como se ha visto anteriormente, así pues si se elimina agua del alimento se detendrá su multiplicación. Los alimentos con mayor humedad son más perecederos, tienen menos vida útil, por ejemplo un queso fresco se conserva menos tiempo que un queso curado, de menor humedad. Varios métodos de conservación de alimentos que se aplican industrialmente se basan en este principio, la reducción del agua disponible para los microorganismos. Según la cantidad de agua residual disponible y la forma de disminución de la disponibilidad de la misma tendremos diferentes métodos de conservación. La reducción del agua disponible se puede conseguir por medios físicos: deshidratación y concentración por evaporación, por ejemplo, leche en polvo y zumos concentrados, respectivamente, o por medios químicos, adición de solutos, por ejemplo azúcar o sal, como se ha dicho, los microorganismos poseen agua en el interior de sus células, por lo tanto si se introducen en un almíbar o en una salmuera, el agua de sus células tiende a salir a través de su membrana, por un proceso de ósmosis, tendiendo a igualar la concentración interior y exterior de la célula, causando así una deshidratación parcial de la misma, que obstaculiza su multiplicación. Se tiene así otros métodos industriales de conservación: con adición de azúcar o con adición de sal, ejemplos de estos tipos de conservación son frutas en almíbar, mermeladas, leche condensada, etc. y salazones, respectivamente. 3.3. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA VARIACIÓN DEL POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN


Algunos microorganismos, como se ha dicho, necesitan aire, oxígeno, para su desarrollo, por lo tanto una forma de conservar los alimentos, preservándolos del desarrollo de este tipo de microorganismos, será ponerlos fuera del contacto del aire, por ejemplo envasándolos en atmósferas pobres en oxígeno, lo cual se consigue por medios físicos y da lugar a otros métodos industriales de conservación: vacío, gases inertes y atmósferas controladas. 3.4. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA UTILIZACIÓN DE SUSTANCIAS INHIBIDORAS La presencia de sustancias inhibidoras también afecta evidentemente al desarrollo de los microorganismos, por lo tanto también existen métodos de conservación basados en este principio: utilización de conservantes o de antisépticos, como el alcohol. O el caso del ahumado, que se basa en el hecho de que el humo contiene sustancias químicas inhibidoras procedentes de la quema de la madera, que acompañado del calor desprendido contribuyen a la conservación de los ali-



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mentos. Este procedimiento se ha aplicado a carnes y pescados fundamentalmente. Hoy día en muchos casos se ahuma el alimento sólo para darle sabor, sin el calor de la combustión, con lo cual contribuye poco a la conservación. 3.5. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA UTILIZACIÓN DE CALOR O FRÍO También se han descrito los rangos de temperatura óptimos para los diferentes tipos de microorganismos, así como las temperaturas necesarias para su destrucción o inactivación. Basándose en estos principios se han desarrollado a su vez métodos industriales de conservación de alimentos, unos por medio de la utilización de altas temperaturas y otros por el uso de temperaturas bajas. Los métodos industriales basados en la aplicación de calor son: pasteurización y esterilización, la diferencia principal entre ellos es la intensidad del tratamiento y lógicamente la vida útil del producto final. Los métodos basados en la aplicación de frío: son refrigeración y congelación, que también difieren en la intensidad del tratamiento y en la vida útil posterior. 3.6. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA APLICACIÓN DE VARIOS PRINCIPIOS


Existe la posibilidad de utilizar métodos de conservación basados en más de uno de los principios citados, con lo cual se mejorarán las posibilidades de conservación incrementando la vida útil, o bien se podrá reducir la intensidad del tratamiento, permitiendo mantener las cualidades organolépticas del producto. Por ejemplo, la presencia de ácido en los alimentos acentúa el efecto del calor sobre los microorganismos, por esta razón en los alimentos de pH bajo, o que se hayan acidificado, o en los que se haya producido una fermentación láctica, normalmente se emplean tratamientos de pasteurización. A los productos concentrados por evaporación se aplica después también una pasteurización. O bien el caso de la leche condensada, conservada por la adición de azúcar se realiza también una concentración por evaporación. La utilización de atmósferas controladas, lleva consigo el mantenimiento del producto en refrigeración. Los productos pasteurizados, a su vez, requieren también de una refrigeración.

4. MÉTODOS INDUSTRIALES DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS En la tabla 6 se incluye la clasificación de los principales métodos industriales de conservación de alimentos según su efecto sobre los microorganismos.


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Tabla 6. Clasificación de los métodos de conservación de alimentos según su efecto sobre los microorganismos Acción sobre los microorganismos

DESTRUCCIÓN

Forma de actuación

Por acción del calor Por radiaciones ionizantes Por acción de antisépticos

EFECTO BARRERA

Por acción mecánica Por acción mixta: calormecánica Por utilización de bajas temperaturas Por utilización de atmósferas pobres en O 2 Por reducción del contenido de agua Protección por incorporación y recubrimiento con inhibidores


ELIMINACIÓN

Por separación física

Método de conservación de alimentos

Pasteurización Esterilización Irradiación Alcohol Ácidos Conservadores químicos Altas presiones Cocción-extrusión Refrigeración Congelación Vacío Gases inertes Atmósferas controladas Deshidratación Liofilización Concentración Salazón Inmersión en salmuera Recubrimientos con materias grasas (confits...) Recubrimientos con azúcar (frutas) escarchadas) Inmersión en ácidos (vinagre) Fermentación (autoinhibición) Filtración esterilizante Ultrafiltración


Bibliografía de la Parte Primera

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PARTE II

MÉTODOS BIOLÓGICOS DE CONSERVACIÓN



CAPÍTULO TERCERO

Conservación por fermentación 1. INTRODUCCIÓN


En términos generales, la fermentación implica el uso de microorganismos para realizar transformaciones de materia orgánica, catalizadas por enzimas. La fermentación ha sido considerada durante muchos siglos como un arte, la elaboración de vino se practica desde hace al menos 10.000 años, los historiadores indican que los egipcios producían cerveza 5.000-6.000 años a.C. y también existen referencias de elaboración de queso 5.000 años a.C. En resumen, la producción de alimentos y bebidas que utiliza fermentación se viene realizando desde hace aproximadamente 10.000 años antes de que se conociera la existencia de los microorganismos. La industria moderna de alimentos fermentados se ha desarrollado a partir de los procesos tradicionales de fermentación, pero el procedimiento en sí mismo ha continuado desarrollándose tecnológicamente. Procesos tales como fabricación de pan, de quesos, cerveza y destilados se han desarrollado para implantar requerimientos comerciales de producciones a gran escala, de calidad elevada y constante, de costes competitivos y variedad de productos. Así, la fermentación de la masa de pan se ha acelerado por el uso de elevadas proporciones de levaduras a altas temperaturas, la utilización de amilasas microbianas que liberan azúcares fermentables de los granos de almidón proporciona azúcares para la fermentación de las levaduras y la producción de CO2 que hace subir la masa y da al pan su característica textura. El uso de cultivos starters para la elaboración de queso es uno de los factores que han contribuido al desarrollo de una amplia variedad de productos de alta calidad. Lo mismo puede decirse de los embutidos crudos curados. En las industrias de cerveza, vino y bebidas alcohólicas, se han producido muchos cambios desde los tiempos de Pasteur, la utilización de levaduras seleccionadas, control de la temperatura de fermentación, etc.


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En una parte importante de los métodos utilizados para la conservación de alimentos, el objetivo es inhibir el desarrollo de los microorganismos que pueden causar su deterioro, pero también existe la posibilidad de utilizar algunos microorganismos para conseguir esa conservación, creando condiciones desfavorables para el desarrollo de otros microorganismos, así por ejemplo la producción de cantidades substanciales de alcohol o de ácido por ciertos organismos crea unas condiciones desfavorables para el desarrollo de otros. En este principio se basan los métodos de conservación de alimentos por fermentación. La conservación de alimentos por medio de procesos fermentativos, en sus orígenes se aplicaba como consecuencia de la contaminación accidental de las distintas materias primas por la microflora ambiente llamada útil; pero hoy en día, gracias a la individualización de los microorganismos responsables del proceso fermentativo y al estudio de las condiciones óptimas de fermentación, es cuando este método de conservación ha tenido más desarrollo. Actualmente, con el cultivo de estos microorganismos en laboratorio y la incorporación de estos cultivos (cultivos starter) a los productos a someter a fermentación, es posible reducir las pérdidas debidas a fermentaciones anómalas, además de obtener productos terminados estandarizados en sus características organolépticas. Los procesos fermentativos se utilizan actualmente no sólo para la conservación de los alimentos en el estricto sentido del término, sino también para conferirles un mejor aroma y una mayor digestibilidad. El proceso fermentativo, en la mayor parte de los casos, permite la prolongación de la vida útil no tanto del alimento tal cual, sino de sus principios nutritivos, dando así origen a un producto cuyo estado físico se ha modificado para presentar características organolépticas propias y típicas. Un alimento se considera fermentado cuando uno o más de sus componentes químicos son atacados por microorganismos, considerados útiles, por lo que su composición química resulta modificada. Además de los microorganismos, pueden intervenir en estos procesos fermentativos, también procesos proteolíticos debidos a la acción de enzimas propias del producto alimentario de partida. En algunos casos, además, el proceso fermentativo es realizado por microorganismos distintos, uno de los cuales actúa después de que el otro haya modificado la materia prima de partida, como es el caso de los quesos azules, en los cuales el desarrollo del moho, tiene lugar después de que las bacterias lácticas hayan realizado la fermentación de la lactosa. Por último, hay que señalar que el proceso fermentativo de un producto alimentario dado, puede hacerlo utilizable también para individuos que no toleran la presencia en ellos de ciertos compuestos químicos. Es el caso, por ejemplo, de las personas intolerantes a la lactosa, las cuales, según su estado patológico, pueden tranquilamente tomar leches fermentadas, aunque con ellas ingieran cantidades de lactosa superiores o al menos iguales a las de la leche. La explicación de este fenómeno reside en el hecho de que los cultivos microbianos utili-


Conservación por fermentación

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zados como starters continúan su acción demoledora de la lactosa, también a nivel intestinal, acción que está potenciada por la presencia de la misma enzima que se libera como consecuencia de la lísis de una parte de los microorganismos. Muchos de estos productos fermentados se consideran como verdaderos alimentos dietéticos, por su efecto benéfico a nivel intestinal, regulando la flora.

2. MICROORGANISMOS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Los microorganismos útiles para el proceso de fermentación deben presentar tres características especiales: • Deben ser capaces de desarrollarse rápidamente en un sustrato y ambiente adecuados, y ser fácilmente cultivados en grandes cantidades. • Deben tener la capacidad de mantener constancia fisiológica bajo las condiciones citadas, y producir fácil y abundantemente las enzimas esenciales para que se puedan dar los deseados cambios químicos. • Las condiciones ambientales requeridas para el máximo desarrollo y producción deben ser comparativamente simples. Los microorganismos utilizados en las fermentaciones deben producir grandes cantidades de enzimas, que son las sustancias reactivas que controlan, como se ha dicho, las reacciones químicas en la fermentación. Los microorganismos que presentan interés en la industria alimentaria, son también de tres tipos: levaduras, bacterias y mohos, pero en este caso tienen en común el carácter de ser útiles. 2.1. LEVADURAS . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Las levaduras pertenecen a tres clases de hongos: ascomicetos, basidiomicetos y deuteromicetos, ésta última incluye las formas imperfectas de las levaduras, que tienen afinidades con los ascomicetos y basidiomicetos. La temperatura normal de cultivo de las levaduras se sitúa entre 25 y 30ºC, que permite efectivamente el crecimiento de la mayor parte de las mismas, pero éstas no son las temperaturas óptimas de crecimiento que las levaduras encuentran en sus hábitats naturales. Su velocidad de crecimiento disminuye progresivamente para valores de aw inferiores a 0,99. Aunque el efecto de la presión osmótica varía de una cepa a otra, la mayor parte de las cepas no pueden desarrollarse para actividades de agua inferiores a 0,90, pero algunas toleran presiones osmóticas mayores, correspondientes a una aw del orden de 0,60, pero con un metabolismo lento. Todas las levaduras son capaces de desarrollarse en presencia de oxígeno: no hay levaduras anaerobias estrictas. Algunas son aerobias estrictas, particu-


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larmente las levaduras de los géneros: Rhodotorula, Rhodosporidium, Lipomyces, Saccharomycopsis, Cryptococcus y Sporobolomyces, más algunas especies de los géneros Hansenula, Pichia, Torulopsis y Debaryomices. Las otras levaduras son aero-anaerobias facultativas y entre ellas hay: • levaduras que prefieren un metabolismo fermentativo incluso en presencia de oxígeno. Después de una fase inicial de desarrollo y proliferación celular, pasan a utilizar la glucosa con producción de alcohol etílico y CO2; respiración seguida de fermentación. A este tipo pertenecen Saccharomyces, Schizosaccharomyces y Brettanomyces, más algunas especies de Torulopsis. • levaduras que prefieren un metabolismo respiratorio si hay oxígeno. Pueden utilizar también sustratos ya fermentados, dado que además pueden tolerar muy bien discretas cantidades de alcohol, pueden también transformarlo posteriormente hasta CO2. Pertenecen a este grupo Candida, Kluyveromyces, la mayor parte de Pichia y Hansenula y algunas Torulopsis. Todas las levaduras no presentan la misma sensibilidad al etanol, las más resistentes son las Saccharomyces que se utilizan en los procesos de fermentación alcohólica para la elaboración de bebidas o la producción de alcohol industrial. Según las cepas y el estado fisiológico del cultivo, el etanol es tóxico a concentraciones de 8 a 18%. La tolerancia al etanol depende de la composición en ácidos grasos de las membranas citoplasmáticas. El SO2 tiene un efecto inhibidor más intenso sobre las bacterias que sobre las levaduras, pero entre éstas existe también diferente sensibilidad, Zygosaccharomyces bailli y los Bretanomyces son más resistentes que Kloeckera apiculata y Pichia membranaefaciens por ejemplo. Su acción depende del pH, cuando más bajo es el pH más activo es el SO 2 contra los microorganismos. Existen muchos géneros de levaduras entre los más importantes están: • Saccharomyces cerevisiae, variedad ellipsoideus, es la levadura por excelencia, resistente al alcohol etílico hasta 16,8º y al SO2. • Saccharomyces rosei: no forma muchos ácidos volátiles, pero no es muy resistente al alcohol y al SO 2. • Saccharomyces bayanus u oviformis: es el más resistente al alcohol (hasta 18,4º). • Saccharomyces ludwigi: es interesante por su elevada resistencia al SO2. • Schizosaccharomyces pombe: capaz de transformar el ácido málico en alcohol etílico, por medio de la fermentación maloalcohólica. Saccharomyces cerevisiae es la levadura más ampliamente utilizada en las fermentaciones industriales, metaboliza los azúcares: sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y maltotriosa en distinto orden. La sacarosa debe ser primero hidrolizada por la invertasa localizada en el espacio periplásmico extracelular.



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El almidón es un polisacárido abundante en la naturaleza, es interesante por lo tanto para utilizarlo como sustrato de la fermentación por las levaduras. Desgraciadamente, S. cerevisiae es incapaz de hidrolizar el almidón e incluso las dextrinas, es necesario efectuar un pretratamiento de hidrólisis con enzimas bacterianas para que S. cerevisiae pueda transformar los oligosacáridos obtenidos en etanol. Sería interesante encontrar una especie de levadura capaz de realizar ambos procesos, la hidrólisis y la fermentación. Algunas levaduras segregan amilasas, S. diastaticus produce una amiloglucosidasa, pero esta enzima sólo tiene actividad sobre los enlaces α (1-4) del almidón. Muy pocas levaduras tienen actividad celulolítica, únicamente se ha encontrado en una cepa de Aureobasidium pullulans. Sin embargo, sí que se ha encontrado un gran número de ellas capaces de utilizar la celobiosa ( Brettanomyces, Candida, Dekkera, Kluyveromyces, Pichia, Saccharomyces). Algunas levaduras producen xilanasas que pueden hidrolizar las hemicelulosas, se trata en particular de Trichosporon cutaneum, Cryptoccus albidus y Aureobasidium pullulans. Otras fermentan directamente la xilosa en etanol, por ejemplo Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis y Candida shehatae. S. cerevisiae no fermenta la xilosa pero fermenta la xilulosa. 2.2. BACTERIAS 2.2.1. Bacterias lácticas


Son bacterias Gram +, anaerobias aunque generalmente toleran el oxígeno. En el grupo de las bacterias lácticas, que se caracterizan por una gran producción de ácido láctico, se incluyen los géneros Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc y Pediococcus. Las menos sensibles al oxígeno son los Streptococcus. Las bacterias lácticas sintetizan su ATP en la fermentación láctica de los glúcidos. Algunas especies de Lactobacillus también pueden obtener ATP por fermentación de la arginina. Ya en 1920, Orla-Jensen clasificó las bacterias lácticas en dos grupos según sus características bioquímicas: las homofermentativas y las heterofermentativas. La diferencia entre estos dos grupos se detecta por la liberación de oxígeno. Las bacterias homofermentativas se caracterizan por la capacidad de transformar la glucosa y, en la mayor parte de los casos, también la fructosa en ácido láctico, con producción nula o mínima de otros productos secundarios. Las bacterias heterofermentativas no tienen fructosa-difosfato-aldolasa y por lo tanto degradan los glúcidos por la vía llamada de las pentosas fosfatos o de las hexosas fosfatos. En las Figuras 4 y 5, en que se indican los esquemas de la fermentación homoláctica y de la heteroláctica, respectivamente, se pueden apreciar estas diferencias. Los Streptococcus son bacterias homofermentativas puesto que su fermentación es de tipo homoláctico, transformando la lactosa en ácido lác-


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tico. Los más conocidos son Streptococcus lactis y Streptococcus cremoris, que son los responsables de la acidificación espontánea de la leche, y el Streptococcus diacetylactis que produce también la fermentación del ácido cítrico a diacetilo, sustancia característica del aroma de la mantequilla. Es también importante el Streptococcus thermophilus que se desarrolla bien a 40-45ºC, por lo que se emplea para conseguir la acidificación del yogur durante su maduración a 45ºC y para la maduración de los quesos de pasta cocida. Los Lactobacillus pueden ser homofermentativos y heterofermentativos, los primeros son de dos tipos, termófilos y mesofilos, producen mayor cantidad de ácido láctico que los Streptococcus y tienen una leve pero intensa actividad proteolítica. Esta actividad proteolítica se aprovecha en la maduración de los quesos, en los de pasta cocida son importantes el Lactobacillus helveticus y el Lactobacillus lactis, que son termófilos. Para los quesos de pasta dura no cocida se utilizan los mesofilos Lactobacillus casei y Lactobacillus plantarum. Al grupo de los lactobacilos termófilos pertenece el Lactobacillus bulgaricus cuya actividad fuertemente acidificante se aprovecha en la elaboración del yogur. Los lactobacilos heterofermentativos presentan una menor capacidad acidificante. Dos de las bacterias heterofermentativas ( L. brevis y L. buchnerii) no pueden desarrollarse en anaerobiosis con glucosa, porque no son capaces de reducir el acetil-fosfato a etanol. Sobre otros glúcidos (per ejemplo, fructosa), estas bacterias pueden desarrollarse en anaerobiosis. El género Leuconostoc está caracterizado por bacterias heterofermentativas y algunas pueden fermentar la nata con producción de diacetilo ( Leuconostoc citrovorum). Algunas especies como Leuconostoc mesenteroides, cultivadas sobre medios hipersacarosados producen voluminosas cápsulas (dextrano), esta propiedad se ha utilizado para la producción de alimentos de textura más o menos filante o espesa. La síntesis del ácido láctico y la tolerancia de las bacterias lácticas a este ácido orgánico y a un pH inferior a 7, se utilizan en la conservación de alimentos, en productos lácteos, productos cárnicos y vegetales fermentados. Estas condiciones que, efectivamente, son soportables para las bacterias lácticas, no lo son para otros muchos microorganismos causantes de alteraciones: Pseudomonas , enterobacterias, Alcaligenes, Acinetobacter, etc. Sin embargo, las bacterias lácticas pueden crear problemas en algunas otras industrias, produciendo sabores y olores desagradables, como: vino, cerveza, carne, zumos de frutas, etc. Otro grupo importante son los esquizomicetos, llamados “malolácticos” porque metabolizan el ácido málico transformándolo en ácido láctico y anhídrido carbónico. Son bacterias heterolácticas de los géneros Pediococcus y Leuconostoc, requieren para su desarrollo una temperatura de al menos 1820ºC y un pH óptimo del orden de 4.



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2.2.2. Bacterias acéticas Lo que caracteriza a las bacterias acéticas es su notable capacidad de oxidar el etanol a ácido acético a pH ácido. Son aerobias estrictas y Gram –. Las que se utilizan en la producción de vinagre pertenecen al género Acetobacter, las principales especies, en orden de importancia según su rendimiento fermentativo, son: Aceti, Pasteurianum, Suboxydans, Oxydans, etc. Habrá por tanto que favorecer el desarrollo de las que dan mayor rendimiento. Para que las bacterias acéticas puedan desarrollarse de forma adecuada, el medio debe estar bien oxigenado, es decir en continuo y constante contacto con el aire, así como a temperaturas superiores a 20ºC. 2.3. MOHOS


Los mohos, por la acción de sus activos y complejos sistemas enzimáticos, son capaces de alterar los alimentos, produciendo en ellos cambios irremediables. Pero también debido a sus actividades bioquímicas, se comportan como agentes responsables de biodegradaciones, biosíntesis o bioconversiones, transformando de forma beneficiosa sustratos de escaso valor alimenticio y poco atractivos, en alimentos ricos en elementos asimilables de agradable sabor y aroma o en sabrosos condimentos. Un campo importante de aplicación de esta actividad de los mohos es la fabricación de quesos. Los más interesantes son los mohos blancos, como Penicillium camemberti que, con sus “biotipos” P. candidum y P. caseicolum se utilizan para la fabricación de quesos enmohecidos superficialmente (Camembert, Brie) y los mohos azules, como el Penicillium roqueforti utilizado para inocular los quesos enmohecidos en toda la masa (Roquefort, Gorgonzola, etc.). Hay que tener en cuenta también el Geotrichum candidum, utilizado frecuentemente en quesería como factor de calidad en los quesos de pasta blanda o como flora dominante indispensable en algunos quesos de pasta prensada. Otros mohos, como el Penicillium nalgiovense , son utilizados en productos cárnicos (mohos de la superficie del salchichón por ejemplo). Los mohos intervienen también en la producción de los principales alimentos fermentados típicos producidos en Japón: el “shoyu” (salsa de soja fermentada) y el “miso” (pasta de soja fermentada). Su producción se hace en dos etapas, la primera consiste en cultivar un Aspergillus ( A. oryzae o A. flavus) en un medio a base de soja y de arroz o de trigo con el fin de que produzcan enzimas que degraden los tejidos vegetales (amilasas, proteasas, lipasas, celulasas, pectinasas), se obtiene así un “koji” que se utiliza como “starter” para la segunda etapa. Según los procesos que intervienen, asociando lactobacilos y levaduras, se obtendrá un “shoyu” o un “miso”. También el “sake” (alcohol de arroz) se produce por digestión del arroz cocido con un “koji al arroz” preparado con A. niger o A. flavus y fermentando el producto resultante con lactobacilos y levaduras.


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Los mohos ocupan un lugar importante en el mercado de las enzimas, en la tabla 1 se indican algunas enzimas de interés industrial obtenidas a partir de mohos. Tabla 1. Principales enzimas de interés industrial obtenidas a partir de mohos Enzimas

Hidrolasas Glucoamilasas

Microorganismos productores

A. awamori, A. oryzae, A. saitoi, A. niger, Rhizopus niveus, R. delemar, Mucor pusillus, M. rouxianus

α-amilasas

Aplicaciones

Panadería industrial Cervecería Bebidas azucaradas Confitería (sacarificación del almidón) Idem

A. oryzae, A. niger, A. sojae, Penicillium expansum, Rhizopus sp. β-glucanasa A. oryzae, A. niger Cervecería (ayuda a la filtración) α-galactosidasa Aspergillus sp. Mortierella vinacea Azucarería (cristalización del azúcar, conversión de rafinosa en sacarosa) β-galactosidasa A. niger Transformación del lactosuero (lactasa) Mejora de la calidad de la leche Penicillium funiculosum, Dextranasas Azucarería Trichoderma sp. A. niger, A. ochraceus, Penicillium Industrias de vinos y zumos de Pectinasas glaucum frutas (clarificación, degradación de las pectinas) A. niger Pentosanasas Industria del vino (eliminación de turbios) A. niger Naringinasa Eliminación del amargor de los zumos de cítricos Lipasas y esterasas A. niger, R. delemar, Geotrichum Industria quesera (factores de candidum, Mucor javanicus, M. calidad) miehei, Absidia butleri . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Proteasas Proteasas ácidas

M. pusillus, A. oryzae, A. saitori, A. niger, Trametes sanguineara A. oryzae A. oryzae

Proteasas neutras Proteasas alcalinas Oxidasas Glucosa oxidasa A. niger, P. glaucum, P. notatum

Hidrólisis de la proteína de soja Panificación (reducción de la viscosidad de la pasta) Ablandamiento de la carne maduración de los quesos Antioxidantes (eliminación de trazas de glucosa en el polvo de huevo seco; estabilización del color y del sabor de cervezas y bebidas azucaradas) Transformación de la glucosa en ácido glucónico



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3. EL PROCESO DE FERMENTACIÓN


Se puede definir la fermentación como la transformación que sufren ciertas materias orgánicas bajo la acción de enzimas segregadas por microorganismos. Se trata pues de un proceso de naturaleza bioquímica. La palabra fermentación ha sufrido también una evolución, primero este término se utilizó para describir el burbujeo que se produce durante la vinificación, antes de que se descubriera la existencia de levaduras. Sin embargo, después del descubrimiento de Pasteur, la palabra pasó a utilizarse para describir la actividad microbiológica y después la actividad enzimática. Generalmente, el término es utilizado para indicar la evolución del dióxido de carbono gas durante la acción de células vivas. Ahora bien, ni la evolución del gas o la presencia de células vivas es esencial para la acción fermentativa, en la fermentación láctica, por ejemplo, no se libera gas. Existe una diferencia clara entre fermentación y putrefacción. La fermentación es una acción de descomposición de los hidratos de carbono, la putrefacción se relaciona con la acción general de los microorganismos sobre los componentes proteicos. El proceso de fermentación normalmente no genera malos olores y usualmente se produce dióxido de carbono. En la putrefacción, los materiales implicados pueden contener dióxido de carbono, pero los olores característicos son ácido sulfhídrico y azufre contenidos en los productos de descomposición de las proteínas. La respiración es un proceso en el cual los hidratos de carbono son convertidos aeróbicamente en dióxido de carbono y agua, con liberación de grandes cantidades de energía. La fermentación es un proceso anaeróbico, o parcialmente anaeróbico, de oxidación de los hidratos de carbono. Respiración y fermentación son dos procesos que llevan a la liberación de la energía, contenida en las sustancias orgánicas, aunque en distinta cantidad, en la fermentación se libera menor cantidad de energía. La putrefacción es una degradación anaeróbica de materiales proteicos. La fermentación tiene lugar en ambiente anaeróbico, con degradación de la sustancia orgánica en compuestos intermedios que actúan de donadores y aceptores de electrones (proceso de oxido-reducción) con liberación de energía. La transformación y la degradación de compuestos orgánicos, no siempre lleva a la obtención de compuestos útiles, es importante, por tanto, tratar de controlar las fermentaciones de forma que se eliminen los indeseables, aprovechando los conocimientos fisiológicos de las especies microbianas que intervienen en el proceso productivo. Los microorganismos tienen a su disposición, en la materia prima de origen, hidratos de carbono, proteínas, grasas, minerales y otros nutrientes menores. Pero atacan primero a los carbohidratos, después a las proteínas y las grasas. El primer requerimiento de la actividad microbiana es la energía, existe por tanto un orden de preferencia. Así pues también hay un orden de ataque


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entre los compuestos derivados del carbono, primero los azúcares, después los alcoholes y después los ácidos.

4. TIPOS DE FERMENTACIONES 4.1. GLICOLÍSIS


La fase inicial del metabolismo de los azúcares, aunque posteriormente se desarrolle por rutas bioquímicas diferentes, es la glicolísis o vía de EmbdenMeyerhof, que comprende el conjunto de reacciones que permiten a las células vivas transformar los azúcares en C6 (glucosa y fructosa) en ácido pirúvico. Estas reacciones se producen tanto en anaerobiosis (fermentación alcohólica y láctica) como en aerobiosis (respiración) y constituyen, como se ha dicho, la primera fase del metabolismo de los azúcares por diferentes rutas bioquímicas. En la figura 1 se indica esta ruta metabólica, que lleva hasta la producción de ácido pirúvico. Cuando hay presente sacarosa, es hidrolizada en glucosa y fructosa por medio de una invertasa específica, y a partir de ellas se desarrolla el proceso, cuya primera parte es una fosforilación de los azúcares con intervención de dos moléculas de ATP (adenosintrifosfato) que lleva a la formación de fructosa-1,6-difosfato. En esta fase el consumo de energía corresponde al paso de dos ATP a dos ADP (adenosindifosfato). A continuación la fructosa-1,6-difosfato se divide en dos moléculas de tres átomos de carbono cada una, que están en equilibrio entre ellas: fosfato de dioxiacetona y gliceraldehido-3-fosfato. El equilibrio se desvía hacia el fosfato de dioxiacetona que representa el 96,5%, mientras que el gliceraldehido-3-fosfato representa por tanto el 3,5%, pero es este último el que reacciona posteriormente con intervención del NAD (nicotinamida-adenin-dinucleótido) y se transforma en ácido 3-fosfoglicérico, mientras que la energía de oxidación permite la formación de una molécula de ATP a partir de una de ADP y una de fosfato mineral. El ácido 3-fosfoglicérico pasa a 2-fosfoglicérico y éste, por eliminación de agua, a ácido fosfoenolpirúvico. El enlace del fósforo con el oxidrilo enólico es un enlace rico en energía y permite, por reacción con una molécula de ADP, la formación de una de ATP, mientras que se libera la forma enólica del ácido pirúvico, en equilibrio con la cetónica. La posterior evolución de una molécula de gliceraldehido-3-fosfato a ácido pirúvico lleva todavía a la formación de dos moléculas de ATP, en consecuencia, en la degradación de una molécula de hexosa a ácido pirúvico se forman cuatro moléculas de ATP. De éstas, dos moléculas se han consumido en las reacciones de fosforilación, por lo tanto la glicolísis implica una ganancia de dos ATP por cada molécula de hexosa metabolizada.



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glucosa, 6-fosfato (éster de Robinson)

Glucosa Sacarosa

Fructosa fructosa, 6-fosfato (éster de Neuberg)

6

1 2

5 4

Fosforilación de los azúcares


dihidroxiacetona fosfato 96,5%

3

fructosa, 1-6 bifosfato (éster de Harden y Young)

gliceraldehído, 3fosfato 3,5%

Figura 1.–Esquema de la glicolísis.


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gliceraldehído, 3-fosfato

Ac. 3 fosfo-glicérico

Ac. pirúvico

Ac. 2 fosfo-glicérico

Ac. fosfoenolpirúvico

Figura 1 (continuación).–Esquema de la glicolísis.

En la respiración aeróbica, el ácido pirúvico puede ser oxidado, por medio de las reacciones del ciclo de Krebs, a agua y anhídrido carbónico: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

CH3 – CO – COOH + 5/2 O2 → 3CO2 + 2H2O En anaerobiosis el ácido pirúvico no puede ser oxidado, por falta de oxígeno, pero puede servir como aceptor del hidrógeno que aparece en la glicolísis bajo forma de NADH2 (nicotamida-adenin-dinucleótido reducido), en este caso se reduce directamente a ácido láctico (fermentación homoláctica). Si la reducción está precedida por la descarboxilación a acetaldehido, se produce formación de alcohol (fermentación alcohólica). Si los dos átomos de hidrógeno de la glicolísis se utilizan de otro modo, el ácido pirúvico no puede ser reducido, pudiendo dar origen en anaerobiosis a un gran número de productos secundarios. Como se ha indicado, a partir del ácido pirúvico las rutas metabólicas difieren según se trate de fermentación alcohólica o de fermentación láctica.



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4.2. FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica viene expresada por la ecuación de Gay-Lussac, en la que a partir de una hexosa se obtiene alcohol etílico y anhídrido carbónico: C6H12O6 → 2CH3 – CH2OH + 2CO2 hexosa

etanol

an. carbónico

Sin embargo en la fermentación vinaria, no se tiene una fermentación alcohólica pura, ya que no todas las moléculas de azúcar siguen la citada ecuación de Gay-Lussac, sino que una cierta proporción es degradada siguiendo una fermentación gliceropirúvica de acuerdo con la ecuación de Neuberg: C6H12O6 → CH2OH – CHOH – CH 2OH + CH3 – CO – COOH Hexosa

Glicerina

Ac. pirúvico

Junto a la glicerina aparece como producto de la fermentación ácido pirúvico, eventualmente descarboxilado a acetaldehido, pero que no puede ser reducido a alcohol, por lo que es el origen de diversos productos secundarios que se forman en anaerobiosis. En la fermentación alcohólica, el ácido pirúvico producido en la glicolísis es descarboxilado a acetaldehido, que es reducido a etanol por medio del NADH2 que se ha formado en la glicolísis, durante la oxidación del gliceraldehido-3-fosfato. Las dos reacciones están acopladas y constituyen un mecanismo de óxido-reducción: si el NADH 2 no fuera reoxidado, la glicolísis se detendría al reducirse todo el NAD. En la figura 2 se indica el esquema del proceso de la fermentación alcohólica.


Glucosa o glicolísis

glicolísis

Fructosa gliceraldehído 3-fosfato

Ac. 3-fosfoglicérico

Alcoholdeshidrogenasa

descarboxilasa

alcohol etílico

Ac. pirúvico

Figura 2.–Esquema de la fermentación alcohólica.


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El balance energético de la fermentación alcohólica es idéntico al de la glicolísis, con formación de dos ATP. Por lo tanto, el balance químico completo de la fermentación por acción de las levaduras se puede expresar de la siguiente forma: C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 → 2CH3 –CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Hexosa

Ac. fosfórico

Etanol

Desde el punto de vista energético, la variación de energía libre en la transformación de una molécula de hexosa en alcohol y anhídrido carbónico, supone la cesión de 40 Kcal. Este valor se desprende fácilmente de la diferencia entre las calorías producidas por la combustión de una molécula de azúcar y de dos moléculas de alcohol etílico. La formación de un enlace ATP supone la fijación de 7,3 Kcal, es decir, dos enlaces ATP, 14,6 Kcal, se ponen a disposición de las levaduras para asegurar su actividad vital, en particular para la multiplicación; las levaduras toman la energía que necesitan únicamente del ATP. Quedan por tanto, 40 – 14,6 = 25,6 Kcal que se liberan en forma de calor, que calientan la masa en fermentación. Como se ha dicho antes, el NADH 2 es reoxidable a expensas del acetaldehido y que las reacciones de oxidación del aldehído, 3-fosfoglicérico al ácido correspondiente y la de reducción del acetaldehído a alcohol están perfectamente acopladas. Pero al comienzo de la glicolísis no existe acetaldehído presente en el medio y en consecuencia el NADH2, formado en la oxidación del gliceraldeglicolísis . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

productos secundarios

gliceraldehído, 3-fosfato

dioxiacetona fosfato

Ac. 3-fosfoglicérico

Ac. pirúvico

Glicerofosfato

Glicerina

Figura 3.–Esquema de la fermentación gliceropirúvica.




107

hído-3-fosfato, no puede ceder su hidrógeno al acetaldehído, y si la glicolísis debe seguir es necesario que se reoxide de otro modo. La reoxidación se produce a expensas del fosfato de dioxi-acetona, que es reducido a glicero-fosfato y después hidrolizado a glicerina. Existe por tanto, un periodo de inducción durante el cual se produce una fermentación gliceropirúvica. En efecto, reoxidándose el NADH2 con formación de glicerina, la glicolísis puede proseguir, pero el ácido pirúvico formado, o el acetaldehído procedente de su descarboxilación, no puede ser reducido a alcohol o a ácido láctico, que como veremos después también producen las levaduras durante la fermentación de los azúcares, y se acumula por lo tanto en el medio; el acetaldehído formado permite activar la fermentación alcohólica y el ácido pirúvico es el origen de toda una serie de productos secundarios. Existe competencia entre los dos aceptores de hidrógeno, acetaldehído y dioxiacetona, el primero se reduce más fácilmente por lo tanto prevalece la formación de alcohol, pero se mantiene una cierta competencia del segundo aceptor incluso después del periodo de inducción. No obstante el 92%, aproximadamente, de las moléculas de azúcar siguen la fermentación alcohólica. La fermentación alcohólica es la etapa esencial de fabricación de las bebidas fermentadas: vino, cerveza y sidra, y de las bebidas destiladas, por lo tanto es fundamental controlar el proceso de conversión a alcohol, para favorecer la producción de los componentes favorables del aroma y al mismo tiempo, minimizar la formación de los desfavorables. Las levaduras durante su desarrollo en medio azucarado, producen, además de etanol y CO 2, compuestos cuyas características organolépticas participan de forma importante en el aroma de los productos fermentados. Estos compuestos se pueden clasificar en cinco grupos: alcoholes, ésteres, aldehídos y cetonas, compuestos azufrados y ácidos orgánicos. Dichos compuestos tienen umbrales de percepción diferentes y, por lo tanto, este parámetro influye tanto en su apreciación como su concentración. Un compuesto con un umbral de percepción bajo puede desempeñar un papel importante en el aroma, incluso en cantidades pequeñas. Los alcoholes superiores representan los componentes, de influencia en las características organolépticas, más abundantes, pero sus umbrales de percepción son diez veces más altos que los de los ésteres y mil veces mayores que el del diacetilo, su contribución no es importante en el aroma de las bebidas fermentadas. La mayor parte de los alcoholes superiores proceden del metabolismo de los aminoácidos. Entre los encontrados en el vino o en la cerveza, los más importantes son el 2-metil-1-butanol y 3 metil-1-butanol (alcoholes isoamílicos), isobutanol, fenil-etanol y n-propanol. Las condiciones en que se produce la fermentación afectan al contenido final de alcoholes superiores, el aumento de la temperatura de fermentación y la oxigenación del mosto aumenta la síntesis de estos compuestos. Un factor importante es la cepa de levadura, cepas distintas producen cantidades diferentes de alcoholes superiores en las mismas condicio-


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nes. La selección de levaduras se hace teniendo en cuenta, entre otros, este criterio, puesto que se busca la reducción de la presencia de estos compuestos, por su influencia desfavorable sobre la calidad del vino y de la cerveza. Los ésteres, producidos por las levaduras durante la fermentación, por una reacción enzimática entre los derivados acetil CoA de ácidos grasos y los alcoholes libres, tienen una influencia favorable sobre la calidad del producto final. Los más importantes en cuanto a cantidad, son el acetato de etilo, el acetato de isoamilo, el acetato de propilo, etc. El acetato de etilo es el más abundante en las bebidas fermentadas pero, teniendo en cuenta su elevado umbral de detección, no es el más importante en el aroma de dichas bebidas. 4.3. FERMENTACIÓN LÁCTICA Casi todos los microorganismos producen una cierta cantidad de ácido láctico de la escisión de los hidratos de carbono, y se acaba de indicar que también es uno de los productos de la fermentación alcohólica, aunque en pequeña cantidad. El ácido láctico es, por tanto, el producto principal de la fermentación láctica, en algunos casos es el único producto final (homofermentación) y en otras ocasiones se producen además lactato, etanol y eventualmente acetato (heterofermentación). La ruta metabólica de la fermentación láctica comienza con la glucosa, para que se inicie a partir de la lactosa es necesario que se produzca una escisión hidrolítica de la misma, por acción de una enzima: lactasa C12H22O11 → 2C6H12O6


Mientras que la fermentación homoláctica es la interesante para la industria agroalimentaria, es útil para la fabricación de muchos productos lácteos, productos cárnicos y vegetales fermentados, la fermentación heteroláctica, en cambio, representa una de las causas más frecuentes de la aparición de malos sabores en esos mismos productos y es también la causante de la alteración conocida como picado láctico en los vinos. La fermentación heteroláctica se utiliza en la producción de bebidas ácido-alcohólicas a base de leche, como el kéfir. La fermentación láctica puede resultar particularmente útil, cuando se produce en ambiente controlado, en la producción de ciertos alimentos, como por ejemplo en la preparación de leches fermentadas o ácidas o en la maduración de la nata para la preparación de la mantequilla, y en la elaboración de productos cárnicos y vegetales fermentados. El ácido láctico producido por los microorganismos representa un factor fundamental en la protección del queso sin madurar contra los procesos de putrefacción, una acidificación insuficiente de la cuajada representa uno de los peligros más graves en la fabricación de quesos; posteriormente, durante la maduración del queso, el ácido láctico será metabolizado con producción de otros ácidos volátiles que caracterizan los distintos tipos de queso.



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4.3.1. Fermentación homoláctica La fermentación homoláctica se puede resumir: C6H12O6 → 2CH3 – CHOH – COOH glucosa

ac. láctico

La fase inicial de la fermentación de los azúcares por vía homoláctica es, como ya se ha indicado, la glicolísis, vía de Embden-Meyerhof-Parnas, en la que se obtiene ácido pirúvico. En la fermentación láctica actúa sobre este ácido pirúvico la lactodeshidrogenasa, que cierra el ciclo oxidativo iniciado durante la glicolísis con la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato a ácido 3-fosfoglicérico (figura 4). El balance energético de la fermentación homoláctica es idéntico al de la fermentación alcohólica, puesto que corresponde al balance de la glicolísis, es decir se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de azúcar metabolizada.

Glucosa

glicolísis

glicolísis Ac. 3-fosfoglicérico

gliceroaldehído 3-fosfato


lacticodeshidrogenasa ac. láctico

Ac. pirúvico

Figura 4.–Esquema de la fermentación homoláctica.

4.3.2. Fermentación heteroláctica En la figura 5 se resume el esquema de la fermentación heteroláctica, la vía empleada en este caso es la de las pentosas-fosfato. El punto de partida es la glucosa-6-fosfato que es oxidada a ácido 6-fosfoglucónico, el cual sufre una descarboxilación oxidativa transformándose en una pentosa, ribulosa-5-fosfato. Se produce una isomerización de éste a xilosa-


110


ATP

ADP

ribulosa-5-P

xilulosa-5-P

acetilfosfato gliceraldehído-3-P


ácido pirúvico

acetaldehído

Figura 5.–Esquema de la fermentación heteroláctica.



111

5-fosfato, a continuación se produce una rotura de la molécula con formación de un compuesto en C2, el acetilfosfato, y uno en C 3, el gliceraldehído-3-fosfato, que ya conocemos como producto de la glicolísis. A partir de este punto se desarrolla un mecanismo principal, en el cual el gliceraldehído-3-fosfato toma la vía de la glicolísis y llega ácido pirúvico y éste por reducción a ácido láctico. El acetilfosfato, el otro elemento originado en la rotura de la pentosa, es reducido a alcohol etílico para asegurar la reoxidación de dos moléculas de NADH2. En el curso de la degradación de una molécula de hexosa se tiene la formación de tres NADH2: una por la oxidación de la glucosa a ácido glucónico, una por la oxidación con descarboxilación del ácido glucónico a ribulosa y otra por la oxidación del aldehído-3-fosfoglicérico a ácido 3-fosfoglicérico. De estas tres moléculas de NADH2 una es reoxidada reduciendo el pirúvico a láctico y las otras dos reduciendo precisamente el acetofosfato a alcohol etílico. La fermentación heteroláctica puede expresarse por la reacción siguiente: C6H12O6 → CH3 – CHOH – COOH + CH3 – CH2OH + CO2 Glucosa

Ac. láctico

Etanol

4.4. OTRAS FERMENTACIONES Las fermentaciones descritas anteriormente, realizadas por levaduras y bacterias, se basan en la degradación de los azúcares, pero existen también otras fermentaciones, principalmente llevadas a cabo por bacterias, que utilizan como sustrato otro tipo de productos. 4.4.1. Fermentación acética . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Se puede definir como la oxidación bioquímica del etanol contenido en un sustrato alcohólico, para formar ácido acético. Esta oxidación es producida por bacterias acéticas, que realizan dicha transformación exotérmica para tomar energía para su desarrollo. La oxidación del etanol se realiza en dos etapas: en la primera el etanol se oxida a acetaldehido y en la segunda el acetaldehido a ácido acético. El ataque del alcohol por las bacterias se produce en presencia de oxígeno, es decir en aerobiosis, la transformación global producida puede resumirse así: CH3 – CH2OH + O2 → CH3 – COOH + H2O Etanol

Ác. acético

Estos son los compuestos principales que se obtienen, pero como en todos los procesos bioquímicos, se forman otros productos, según el medio,


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el sustrato y los agentes de la fermentación, que contribuyen a la formación del aroma. Entre los compuestos químicos que se producen están: acetato de etilo, etanal, formiato de etilo, butanol, isopropanol, etc. y los correspondientes acetatos. Este proceso se utiliza para la fabricación de vinagre y es además el causante de la alteración conocida como picado acético de los vinos.

alcohol etílico

acetaldehído

acetaldehído hidratado

Energía acetaldehído hidratado

ácido acético Figura 6.–Esquema de la fermentación acética.

4.4.2. Fermentación maloláctica


La transformación del ácido málico en ácido láctico se produce a través de mecanismos intermedios todavía no conocidos. El fenómeno se puede describir de forma global como sigue: HOOC – CH2 – CHOH – COOH → CO2 + CH3 –CHOH – COOH ácido málico

ácido láctico

La transformación es endoenergética, no pone a disposición de la célula ninguna energía, por lo tanto la célula debe tomar la energía necesaria de los glúcidos presentes en el medio, no se trata pues de una verdadera fermentación. Se conocen diversas enzimas capaces de transformar el ácido málico, con posible evolución final hacia el ácido láctico, en particular la málicodeshidrogenasa, la enzima málica y la enzima maloláctica. En la figura 7 se representan los esquemas referidos a la transformación enzimática del ácido láctico.



113

4.4.3. Fermentación maloalcohólica El ácido málico disminuye durante la fermentación alcohólica y según la especie de levadura puede observarse una pérdida del 10 al 25% de la cantidad inicial. Levaduras particulares del género Schizosaccharomyces pueden degradar cantidades importantes de ácido málico, hasta el 90% del contenido inicial (Schizosaccharomyces pombe), sin embargo estas levaduras tienen un desarrollo lento, por lo que difícilmente predominan. I. Malicodeshidrogenasa

descarboxilasa ac. málico

láctico láctico

ac. pirúvico

ac. oxalacético

II. Enzima málica

ac. málico III. Enzima maloláctica

ac. pirúvico

ac. málico . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

láctico láctico

ac.

láctico

Figura 7.–Esquema de las transformaciones enzimáticas del ácido málico.

La degradación del ácido málico corresponde a una verdadera fermentación, con la intervención de la enzima málica que transforma el ácido málico en ácido pirúvico, que sigue después la fermentación alcohólica. La actividad de la enzima málica se desarrolla en presencia de iones manganeso según el mecanismo indicado en la figura 8. 4.4.4. Fermentación propiónica Está producida por bacterias esporógenas del género Propionobacterium y es la que produce los ojos característicos del queso Emmental. Estas bacterias


114


Figura 8.–Esquema de la fermentación maloalcohólica.

ácido láctico

ácido pirúvico

ácido propiónico

ácido acético


Figura 9.–Esquema de la fermentación propiónica.

pueden fermentar también el ácido láctico procedente de otras fermentaciones, con producción de ácido propiónico, ácido acético, anhídrido carbónico y otros productos. 4.4.5. Fermentación butírica Es producida por bacterias esporógenas anaerobias del género Clostridium y es causa de alteraciones en los alimentos. La especie más representativa es el Clostridium butyricum . En la figura 10 se indica el esquema de esta fermentación.



ac. pirúvico

115

acetil acetil

ac. acético

acetoacetil

ácido butírrico acetona

ac. isopropílico

butanol Figura 10.–Esquema de la fermentación butírica. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

4.4.6. Fermentación 2,3-butilenglicol Esta fermentación se debe a bacterias coliformes tales como Enterobacter y también algunas especies de Aeromonas. El punto de partida es el ácido pirúvico producido en la glicolísis y se obtienen como productos de la fermentación 2,3-butilenglicol y diacetilo. En la figura 11 se resume el esquema de este tipo de fermentación. 4.4.7. Fermentación ácido-mixta Es una fermentación debida también a bacterias coliformes, como Escherichia coli, que pueden estar presentes debido a contaminación fecal. Es causa de alteraciones.


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ácido pirúvico ácido α-aceto láctico

acetoína

2,3-butilenglicol

diacetilo

Figura 11.–Esquema de la fermentación 2,3-butilenglicol. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

4.5. PRODUCTOS DERIVADOS DEL ÁCIDO PIRÚVICO PRODUCIDO EN LA GLICOLÍSIS El ácido pirúvico producido en la glicolísis, como se ha visto, es el punto de partida de diferentes rutas metabólicas, dando lugar a varios productos secundarios. En la figura 13 se resumen los principales productos secundarios a que da lugar este ácido pirúvico. En dicho esquema se incluye también la ruta de formación de ácido láctico por las levaduras durante la fermentación alcohólica, aunque siempre en pequeñas cantidades, una pequeña cantidad de ácido pirúvico escapa a la acción de la descarboxilasa y es directamente reducido a ácido láctico.



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El ácido pirúvico puede dar lugar a la formación de acetilcoenzima A, que por hidrólisis produce ácido acético. Existen dos vías de formación del acetilcoenzima A, una oxidativa con intervención del NAD y producción de CO 2 y otra con formación de ácido fórmico.

ácido fórmico

ácido láctico

ácido pirúvico

acetil

acetil ac. acético

acetaldehído

etanol

Figura 12.–Esquema de la fermentación ácido-mixta.


La condensación de dos moléculas de ácido pirúvico junto con descarboxilación lleva a la formación de acetoína o acetilmetilcarbinol, que por oxidación puede pasar a diacetilo y por reducción a butilenglicol o 2,3-butanodiol. El ácido pirúvico puede también ser carboxilado con formación de ácido oxalacético, que se transforma en ácido málico, éste a su vez da origen al ácido fumárico y después al ácido succínico y al ácido propiónico.

5. APLICACIONES DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA La utilización de las fermentaciones, básicamente la fermentación alcohólica y la fermentación láctica, ha dado lugar a una amplia gama de productos fermentados, los procesos industriales son obviamente distintos, pero sus fundamentos bioquímicos son los expuestos anteriormente y, evidentemente, aunque se trate de un determinado tipo de fermentación, la fabricación de cada producto plantea unos problemas especiales y unos requisitos específicos.


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al. etílico ac. acético

ac. láctico

diacetilo

acetilcoenzima A

ac. pirúvico

ac. butírico

ac. acetilacético

ac. fórmico r e a c c i ó n W o o d - W e r k m a n

r e a c c i ó n T h u n b e r g

ac. oxalacético


acetón

ac. málico

2,3-butanodiol ac. fumárico

ac. succínico

ac. propiónico

Figura 13.–Esquema de los productos secundarios obtenidos a partir del ácido pirúvico.



119

5.1. PRODUCTOS DERIVADOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica es la base del proceso de elaboración de bebidas fermentadas tales como vino, cerveza y sidra, de bebidas destiladas, whisky, vodka, ron, etc., y de productos de panadería. Los sustratos a partir de los cuales se produce la fermentación son en todos los casos hidratos de carbono, pero difieren de unos productos a otros como también son distintas las levaduras que realizan la fermentación y los requisitos que se les exigen. En la obtención de vinos y sidras el sustrato de la fermentación alcohólica son glucosa y fructosa. De forma tradicional, la transformación de los mostos se ha desarrollado como un fenómeno espontáneo, por medio de levaduras indígenas. Tras el inicio de la fermentación por levaduras oxidativas de los géneros Kloeckera y Hansensiaspora , la parte esencial de la fermentación alcohólica la realizan cepas de Saccharomyces cerevisiae. Desde hace algunos años, de forma particular en la elaboración de vinos, la fermentación se lleva a cabo por utilización de levaduras seleccionadas, generalmente pertenecientes al género Saccharomyces cerevisiae. En la tabla 2 se resumen los principales criterios de selección de las levaduras enológicas. Tabla 2. Criterios de selección de las levaduras enológicas Favorables


Buen rendimiento en etanol Tolerancia al etanol Producción de ésteres Producción de glicerol Adaptación a temperaturas bajas Bajas exigencias en elementos nutricionales

Desfavorables

Producción de H2S Formación de acidez volátil Producción de SO2 Formación de espuma Producción elevada de alcoholes superiores Producción de compuestos que se combinan con H2S

Otros

Tolerancia al SO2 Carácter killer Degradación del ácido málico

En la sidra y en algunos vinos se desarrolla además la fermentación maloláctica, producida por bacterias lácticas, por lo general pertenecientes a los géneros Lactobacillus, Leuconostoc y Pediococcus. En el caso de la cerveza, las materias primas además del lúpulo y agua, son malta y otros cereales, por lo tanto en este caso el sustrato lo constituyen la maltosa y la maltotriosa. En la elaboración de la cerveza, compiten dos tipos de levaduras: Saccharomyces cerevisiae, de fermentación “alta” porque sube a la superficie al final de la fermentación principal, que produce la cerveza tipo “ale” a temperaturas de 15 a 22ºC, y Saccharomyces uvarum (antes carlsber-


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gensis), de fermentación baja, que cae al fondo de la cuba al final de la fermentación principal, y produce la cerveza de tipo “lager” a temperaturas de 6 a 15ºC. En la fabricación de cerveza se utilizan siempre levaduras seleccionadas, las características más importantes que deben presentar estas levaduras son: • producir una fermentación rápida pero sin crecimiento excesivo en biomasa de levadura. • realizar una buena conversión de maltosa y maltotriosa en etanol. • resistencia al etanol. • resistencia a la presión osmótica (importante para los mostos de alta densidad). • dar perfiles aromáticos equilibrados y reproducibles. • eventualmente carácter floculante. • buena estabilidad genética en el tiempo. Las bebidas destiladas aparecieron con la concepción y utilización del alambique, el fundamento de su proceso de elaboración es la diferente riqueza en sustancias volátiles entre las fases líquida y vapor de un producto calentado, lo que permite recoger el alcohol y los compuestos aromáticos de los productos vegetales fermentados. Primero se comenzó por la destilación de bebidas fermentadas ya existentes (vino, sidra, hidromiel, etc.) después, la obtención de fermentaciones específicas de sustancias vegetales azucaradas (frutos diversos, caña de azúcar, melazas de azucarería, orujos de vinificación, etc.) dio lugar a la creación de nuevos productos. La destilación produce un alcohol de elevado grado, en general de 62 a 85º, para que sea aceptado por el paladar es necesario realizar una reducción de esta graduación con la adición de agua destilada hasta un nivel fijado por la legislación, generalmente entre 40 y 55º. Las sustancias naturales que son la base de la elaboración de las bebidas alcohólicas destiladas, abarcan un gran abanico de posibilidades. La mayoría de las frutas (uvas, manzanas, peras, cerezas, melocotón, etc.), los cereales (cebada, maíz, trigo, centeno, arroz, etc.), la caña de azúcar y sus derivados, la patata, las savias de vegetales (palmera, pita), etc. El ron se obtiene a partir del jugo de caña de azúcar o de la melaza de azucarería, los compuestos azucarados son principalmente glucosa, fructosa, sacarosa y una pequeña cantidad de polisacáridos. El whisky y una parte del vodka comercializado son productos de la fermentación de diversos cereales, que contienen fundamentalmente almidón, que como ya se ha dicho, no es directamente fermentable es necesario provocar previamente la degradación de este polímero con la ayuda de amilasas. Para otras materias primas utilizadas, uva y frutas diversas, los hidratos de carbono naturales son en su mayor parte monómeros, glucosa y fructosa, acompañados de dímeros en menor cantidad, particularmente sacarosa. El criterio fundamental de selección de los microorganismos que realizan esta fermentación es que proporcionen el mejor rendimiento en alcohol.



121

Las fermentaciones tradicionales del pan se llevaban a cabo por los microorganismos presentes en la harina, este sistema fermentativo está compuesto esencialmente por levaduras y un complejo de bacterias, principalmente lácticas. La evolución de las tecnologías de panificación ha reducido progresivamente la acción de la flora bacteriana, la siembra masiva de levadura que se emplea en la actualidad, anula prácticamente la posibilidad de desarrollo de esta flora bacteriana. Las levaduras son las que originan el hinchamiento de la masa, produciendo la casi totalidad del CO 2 necesario pera ello, gracias a la gran rapidez en fermentar la glucosa. La principal característica que se exige a las levaduras de panificación es una velocidad de crecimiento lo más rápida posible junto con un buen rendimiento, otras características importantes son: • resistencia al secado para el caso de levaduras que se comercializan como levaduras secas activas. • resistencia a la congelación para la preparación de masas congeladas. • color: los panaderos prefieren levaduras blancas. • conservación: las levaduras muestran una disminución de su actividad fermentativa durante el almacenamiento. La temperatura y el oxígeno tienen una gran importancia en la conservación. • tolerancia a presiones osmóticas elevadas para utilización en masas azucaradas. • tolerancia al ácido propiónico: este ácido puede ser añadido a las harinas utilizadas en la fabricación de pan de miga para inhibir el desarrollo de mohos. • calidad aromática para el desarrollo del aroma del pan. 5.2. PRODUCTOS DERIVADOS DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA


La fermentación láctica es el proceso básico de fabricación de varios productos de origen vegetal y animal. Entre los primeros se pueden citar los vegetales fermentados tales como coles, aceitunas y pepinillos, y los vegetales ensilados; entre los de origen animal se incluyen el yogur y otras leches fermentadas, quesos y los embutidos crudos curados, en algunos quesos se desarrollan además mohos y en los embutidos crudos curados en la superficie de la tripa predominan mohos y levaduras. La utilización de cultivos puros de bacterias lácticas para la fermentación de productos vegetales, tales como pepinillos, aceitunas, col, etc., es todavía muy limitada, la fermentación natural de estos productos se debe a bacterias lácticas presentes en su superficie, se trata sobre todos de lactobacilos: Lb. plantarum, Lb. casei, y Lb. fermentum. La flora predominante en la fermentación de los productos cárnicos está también constituida por Lactobacillus y Pediococcus. Los fermentos lácticos presentan una gran importancia en la industria alimentaria, los fermentos comerciales disponibles son, según le producto indus-


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trial a obtener, fermentos mesofilos y fermentos termófilos. Los mesofilos están constituidos esencialmente por algunos Leuconostoc ( Ln. citrovorum, Ln. dextranicum ) y algunos Lactobacillus ( Lb. lactis y cremoris). Son utilizados particularmente para la elaboración de quesos frescos, de pasta blanda, de pasta prensada, quesos azules y algunas leches fermentadas. Los fermentos termófilos incluyen la especie Sc. thermophillus y los Lactobacillus ( Lb. delbrueckii, subespecie bulgaricus, Lb. lactis, Lb. helveticus y Lb. acidophilus), se utilizan en la elaboración del yogur, otras leches fermentadas y en los quesos de pasta cocida.



Bibliografía de la Parte Segunda

123

BIBLIOGRAFÍA Bastasin, P. y Ceresa, L. (1991). “Industrie Agroalimentari”. Franco Lucisano Editore. Bourgeois, C.M. (1996). “Microbiologie alimentaire. Vol 2. Aliments fermentés et fermentations alimentaires”. Tec-Doc. Lavoisier. París. Kyzlink, V. (1990) “Principles of food preservation”. Elsevier. Amsterdam. Leveau, J. y Bouix, M. (1993). “Microbiologie industrielle. Les micro-organismes díntérêt industriel”. Tec-Doc. Lavosier. París. Thorne, S. (1987). “Developments in Food Preservation-4”. Elsevier Applied Science. London. Usseglio-Tomasset, L. (1998). “Química enológica”. Ed. Mundi-Prensa. Madrid. Ward, O.P. (1989). “Fermentation Biotechnology. Principles, Processes and Products ” Open University Press. Milton Keynes.



PARTE III

CONSERVACIÓN POR CALOR



CAPÍTULO CUARTO

Fundamentos de los tratamientos térmicos 1. INTRODUCCIÓN


Bajo el título de Tratamientos Térmicos se suelen englobar todos los procedimientos que tienen entre sus fines la destrucción de los microorganismos por el calor. Por lo tanto nos estamos refiriendo tanto a la Pasteurización y a la Esterilización cuya finalidad principal es precisamente esta destrucción microbiana, como al Escaldado y a la Cocción, procesos en los que también se consigue una cierta reducción de la flora microbiana presente, pero que tienen otros objetivos principales. Esto es así, porque un tratamiento térmico, junto a su capacidad de destrucción microbiana, tiene también una acción sobre los demás componentes del alimento: enzimas, proteínas, vitaminas, etc. que llega a afectar a sus propiedades físicas: color, forma, consistencia, etc. Dada la complejidad de la acción de los tratamientos térmicos sobre los alimentos, será necesaria su optimización de forma que se obtengan en cada caso los resultados buscados. Aunque el principal objetivo sea la destrucción de los microorganismos, no hay que olvidar que a la vez ocurrirán otros procesos, unos deseables (destrucción enzimática, ablandamiento de los tejidos, mejora de la digestividad, etc.), que pese a ello se deberán controlar para que no produzcan efectos excesivos, y otros menos deseables, pero inevitables en algún grado (destrucción de nutrientes, pérdida de cualidades organolépticas: color, aroma, etc.). Un tratamiento térmico debe ajustarse de forma que se consigan los resultados deseables y se minimicen los indeseables, lo que inevitablemente llevará a elegir unas condiciones que establezcan un compromiso entre unos y otros que conduzca a un resultado global satisfactorio. De lo anteriormente expuesto se desprende la necesidad de un conocimiento detallado de la actuación del calor sobre los microorganismos y sobre los demás constituyentes de los alimentos, con el fin de poder optimizar el proceso para obtener los resultados buscados en cada caso.


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2. CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS 2.1. EFECTO DEL TIEMPO DE PROCESO Los primeros estudios de la destrucción de los microorganismos por el calor se deben a Bigelow (1921) y a Ball (1923), que desarrollaron la teoría de la evaluación del procesado térmico con respecto a la muerte o inactivación de los microorganismos. Más tarde, Gillespy (1946), Jakobsen (1954) y Stumbo (1973) determinaron que la destrucción térmica de los microorganismos se puede explicar de acuerdo con un proceso estadístico. El concepto básico de esta teoría es que los microorganismos y sus esporas mueren a cualquier temperatura, pero que cuanto mayor sea esta temperatura, mayor será la probabilidad de que tenga lugar la muerte. La probabilidad de cada espora de escapar a la destrucción no cambia con el tiempo, y define la resistencia térmica de un determinado microorganismo a una temperatura concreta. Si se denomina P a la probabilidad de escapar a la muerte por unidad de tiempo, de un microorganismo expuesto a una temperatura determinada, se tendrá que para t unidades de tiempo esta probabilidad valdrá Pt . Considerando que inicialmente existen N esporas de idéntica resistencia térmica, entonces el número de supervivientes después de un tratamiento que se prolongue durante un tiempo t , vendrá expresado por la ecuación: S = N · P t

[1]

Tomando logaritmos decimales: log S = log N + t log P . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

De acuerdo con lo anterior, la destrucción de los microorganismos puede representarse por una ecuación logarítmica, y si se representa el logaritmo de los supervivientes (en ordenadas) contra el tiempo (en abcisas), se obtendrá una curva de pendiente: d (log S ) = log P dt

que es evidentemente constante, por lo que la curva es, en este caso, una recta. Como la probabilidad, P, de sobrevivir al tratamiento toma valores comprendidos entre 0 y 1, su logaritmo será negativo, luego la recta en cuestión tendrá la pendiente negativa, como puede verse en la gráfica 1.


Fundamentos de los tratamientos térmicos

129

Gráfica 1.–Curva de supervivencia teórica para un determinado microorganismo a una temperatura concreta.

Para la construcción de esta gráfica se ha partido de 5 muestras con una población inicial de 105 esporas, que se han sometido a tratamientos de tiempos crecientes a una temperatura constante de 110ºC, representándose los logaritmos de los supervivientes frente a los tiempos correspondientes. Los puntos se ajustan a una recta cuya ecuación se presenta en la citada gráfica. Si se hace: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

log P = –

1 D

O lo que es lo mismo, se denomina D al tiempo necesario para que la recta recorra un ciclo logarítmico (una unidad en ordenadas), se tendrá que: log S = log N –

t D

que en la forma exponencial quedaría: – t D

S = N · 10


[2]

130


D se conoce como el tiempo de reducción decimal y se expresa usualmente en minutos. En el ejemplo representado en la gráfica D =

1 = 2,67 min. 0,3704

Ya que el parámetro D es un tiempo, se podrá expresar en función de él la duración total del tratamiento: t = n · D, siendo por lo tanto n el número de reducciones decimales que se aplican con un determinado tratamiento térmico. Si se observan las ecuaciones [1] y [2], se verá que es cierto que: – t D

P t = 10

De esta forma, cuando se aplique una reducción decimal (n = 1), se tendrá que t = D y entonces: P t = P D = 10

– D D

= 10 –1 = 0,1

Después de este tratamiento se puede esperar que sobrevivan un 10% de los microorganismos iniciales, mientras que si el tratamiento fuera de n = 2:

P t = P 2D = 10


– 2D D

= 10 –2 = 0,01

existiría la probabilidad de que sobrevivieran un 1% de los microorganismos iniciales. El parámetro D caracteriza la termorresistencia de una especie de microorganismo definida a una determinada temperatura y su significado práctico es el siguiente: • Cuando se mantiene una suspensión de esporas a una temperatura constante durante un tiempo de D minutos, se destruye el 90% de la población inicial; si se alarga el tratamiento durante otros D minutos, se destruirá el 90% de la población residual y así sucesivamente. • Conociendo el valor del parámetro D de un microorganismo a una temperatura definida y el número de reducciones decimales deseadas, se podrá determinar cual será la duración del tratamiento a aplicar a esa temperatura. Como existe una relación logarítmica entre los supervivientes y el tiempo de tratamiento nunca podremos garantizar la destrucción total de los microorganismos presentes en un alimento, ya que la curva representada en coordena-



131

das decimales es asintótica con el eje de tiempo, por lo que será necesario que transcurra un tiempo infinito para que el número de supervivientes sea cero. Si se pretenden producir alimentos sin comprometer la salud pública, será necesario que la probabilidad de supervivencia aceptada para los microorganismos patógenos sea muy baja. Para alimentos poco ácidos se recomienda que esta probabilidad sea de 10-12 o mayor, lo que corresponde a un tiempo mínimo de proceso t = 12D (con el que se consigue un 99,9999999999% de destrucción de los microorganismos iniciales). Es necesario tener bien presente que el nivel de infección del que se parta N es muy importante, porque como se ve en la ecuación [2] cuanto mayor sea este valor quedarán más microorganismos supervivientes para unos valores dados de t y D. 2.2. EFECTO DE LA TEMPERATURA DE PROCESO Si la experiencia representada en la gráfica 1 se repite a diferentes temperaturas, se podrán trazar las rectas que permitan calcular el valor de la reducción decimal D para cada una de estas temperaturas, como puede verse en la gráfica 2. Es evidente que cuanto mayor sea la temperatura menor será el valor de la reducción decimal: es necesario menos tiempo para conseguir la destrucción del 90% de los microorganismos iniciales, ya que como puede verse al incrementarse la temperatura se incrementa la pendiente de las curvas conseguidas.


Gráfica 2.–Curvas de reducción decimal a distintas temperaturas.


132


En los ejemplos de la gráfica se puede ver que : D100 =

1 = 26,3 minutos 0,038

1 = 2,67 minutos D110 = 0,3704 D115 =

1 = 0,85 minutos 1,1765

Si se representan estos valores frente a las temperaturas a las que han sido obtenidos, en un papel semilogarítmico, se comprobará que también se ajustan a una recta, como puede verse en la gráfica 3. Del mismo modo que se obtuvo el parámetro D, se podrá en este caso conseguir otro parámetro “z” (en grados centígrados) cuyo valor corresponderá también al paso de la recta por un ciclo logarítmico, o lo que es lo mismo, al valor de la inversa de la pendiente de la recta cambiada de signo, que en el ejemplo que se viene exponiendo sería: 1 z = 0,0995 = 10 º C


Gráfica 3.–Obtención del parámetro z a partir de los parámetros D.



133

El parámetro z define la termorresistencia característica de cada especie de microorganismo en un medio de composición definida y su significado práctico es el siguiente: • Cuando se eleva la temperatura de tratamiento en z grados, el tiempo requerido para conseguir la misma destrucción térmica es 10 veces menor. La ecuación de la recta representada en la gráfica podrá escribirse también, como ya se ha visto: log D = a – T z Como t = n · D, se podrá generalizar la ecuación anterior: log t = A – T z

[3]

donde A = a + log n Que es la ecuación del conjunto de puntos (parejas de tiempos y Temperaturas) que presentan la misma letalidad frente al microorganismo considerado, en el medio determinado. De la misma forma que se ha construido la gráfica anterior para un tratamiento en el que t = D, se podrán construir otras con distintas letalidades, que evidentemente serán paralelas a la primera, y tanto más separadas del eje de temperaturas cuanto mayor sea la letalidad correspondiente a cada proceso, como se muestra en la gráfica 4:


Gráfica 4.–Curvas TDT.


134


La letalidad de todos los puntos que componen cada recta es la misma, por lo tanto, para cada tratamiento se dispone de infinitas parejas de tiempo-Temperatura con la misma efectividad frente al microorganismo estudiado. Cada una de ellas proporcionará un tratamiento térmico equivalente, pero de condiciones tiempo-temperatura distintas. Por lo tanto, la letalidad de un tratamiento vendrá definida por las coordenadas del punto (t – T) y la pendiente de la curva (z) que indica el microorganismo que se emplea como patrón. De esta forma será fácil encontrar tratamientos equivalentes a otro conocido, a temperaturas o tiempos distintos de los empleados en el tratamiento de referencia. Si partimos de la ecuación general (3) y consideramos las coordenadas de un punto conocido t* y T*, para este punto será cierto que: log t* = A – T* z Despejando A y sustituyéndo en [3] tendremos: log t = log t* + T* – T = log t* – T – T* z z z log t – log t* = – T – T* z t = 10 t* . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

– (T – T*) z

t = t* · 10

– (T – T*) z

Esta ecuación permite encontrar un tratamiento equivalente a otro conocido, modificando la temperatura o el tiempo de tratamiento, siempre y cuando se conozca el valor del parámetro z del microorganismo que se elige como referencia. Como se ha visto con anterioridad que el parámetro D es un tiempo particular, se podrá también emplear la ecuación anterior para calcularlo a cualquier temperatura, partiendo de su valor a una temperatura conocida y del valor del parámetro z del microorganismo correspondiente: D = D* · 10

– (T – T*) z


[4]


135

2.3. MODELOS MÁS COMPLEJOS DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA Hasta este momento se ha aceptado que la relación entre el logaritmo de los supervivientes y el tiempo es lineal, y esto no siempre es cierto. En la gráfica 5 se muestran algunos de los diferentes tipos de curvas de supervivencia encontrados habitualmente en los trabajos experimentales.

Gráfica 5.–Curvas de supervivencia no lineales. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

La obtención de curvas del tipo C se puede deber a la presencia de microorganismos con distintas termorresistencias, en este caso es conveniente traba jar con la termorresistencia calculada a partir de la última parte de la curva, donde se obtienen valores de D mayores. También es bastante usual la obtención de curvas que presenten un hombro inicial, como el tipo A de la gráfica. Una explicación para esta forma podría ser la existencia de un primer periodo de activación de los microorganismos, seguido de otro de inactivación constante. La existencia de curvas de estos tipos no invalida lo dicho anteriormente, ya que su ajuste a una recta proporciona, la mayoría de las veces, resultados satisfactorios para el trabajo industrial, sobre todo si nos movemos en niveles de temperatura moderados.


136


3. ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS Como se ha dicho anteriormente, la aplicación de calor sobre los alimentos no solamente va a afectar a su carga microbiana, sino que también actuará sobre el resto de sus propiedades. Al efecto del calor sobre la flora del alimento se le denomina destrucción térmica, porque éste es el único efecto buscado, mientras que al efecto sobre el resto de sus componentes se le denomina cocción, se aplica para hacer los alimentos apropiados para el consumo y su complejidad es mucho mayor. Por ejemplo, una carne se cuece, mediante un proceso de asado, para conseguir que tenga un aspecto más atrayente, un gusto más agradable y, posiblemente, una digestión más fácil. Vamos a ver cual es la acción del proceso de cocción sobre los constituyentes de los alimentos. 3.1. ACCIÓN SOBRE EL AGUA DE CONSTITUCIÓN


El agua es el componente mayoritario de los alimentos en sus dos estados: agua ligada a otros constituyentes y agua libre, móvil, de volumen y estructura variables y fácil de extraer cuanto menos en parte. La elevación de la temperatura acelera la evaporación superficial de este agua, hasta que se produce una verdadera vaporización a 100ºC. Cuando se produce este fenómeno tiene dos consecuencias esenciales: • Ralentiza los intercambios térmicos, ya que absorbe una gran cantidad de calor • Es el origen de la desecación superficial. La cocción favorece también la conversión en agua libre de una cierta cantidad de agua ligada. Este fenómeno aumenta con la temperatura de calentamiento. Para las carnes comienza a los 45ºC y es sensiblemente importante a los 60ºC. Esta es la razón por la que la exudación de la carne aumenta en grandes proporciones entre 60 y 75ºC. Por lo tanto, la carne no conservará su jugosidad más que si por una técnica de cocción apropiada se limita la pérdida del agua que ha pasado a ser muy móvil. 3.2. ACCIÓN SOBRE LOS LÍPIDOS El primer efecto que se produce sobre las grasas con un tratamiento térmico es su fusión. La fusión de las grasas es variable en función de sus características fisico-químicas y estructurales. En el caso de la carne de cerdo, comienza a los 35-38ºC y viene acompañada de cambios de posición: las grasas fundidas impregnan las zonas superficiales deshidratadas y les devuelven su untuosidad inicial.



137

Además, el aumento de temperatura favorecerá la oxidación. La oxidación provoca la aparición de peróxidos que por escisión dan compuestos responsables del aroma y del sabor. Cuando la temperatura de cocción es demasiado elevada pueden formarse compuestos amargos, como la acroleína que comprometen definitivamente el sabor de la carne y aumentan su dureza. 3.3. ACCIÓN SOBRE LOS GLÚCIDOS El almidón es sensible al calor en medio acuoso: se transforma en engrudo, red de polímeros lineales que se enriquece en agua y que puede impregnar las estructuras vecinas. Se utiliza por sus efectos de hinchado y como ligante, por ejemplo en las salsas. La gelificación comienza de 52 a 75ºC, en función del origen del glúcido. En el caso de la cocción de ciertas legumbres, se pueden necesitar temperaturas bastante más elevadas. La cocción puede también provocar y acelerar las reacciones de Maillard, con las que se produce la aparición de diversas sustancias aromáticas (véase Capítulo I). Por último, la descomposición térmica de los azúcares (caramelización) no se produce más que a temperaturas muy altas, del orden de 150 a 164ºC, y tiene un interés muy limitado. 3.4. ACCIÓN SOBRE LAS PROTEÍNAS


Al considerar las proteínas de origen animal, por regla general se constata que a medida que se va elevando la temperatura se produce primero la activación de ciertas enzimas y, a partir de un determinado umbral térmico, la desnaturalización de las proteínas. – La activación de las enzimas se manifiesta entre 30 y 50ºC y afecta principalmente a lipasas y proteasas. A estas temperaturas el flavor y la terneza de las carnes se incrementan. – La desnaturalización a temperaturas superiores se traduce por: – • una pérdida de actividad biológica, sobre todo enzimática pero también antigénica cuyo estudio posterior permite conocer el grado de calentamiento aplicado, – • un cambio de solubilidad: formación de gel más o menos homogéneo, – • un cambio de color: la carne parece gris por transformación de la mioglobina en una proteína cromófora, – • un cambio de estructura, con retracción más o menos importante de las proteínas fibrilares, – • una modificación de la sensibilidad a las enzimas: las proteínas desnaturalizadas son más sensibles a los jugos digestivos.


138


La desnaturalización de las proteínas solubles comienza entre 50 y 55ºC, es prácticamente total entre 66 y 70ºC y se completa a 80ºC. La desnaturalización de las fibras musculares se traduce por su acortamiento y por una disminución del poder de retención de agua. En términos más simples, por una exudación que se incrementa con el calentamiento. La acción del calor sobre el colágeno se traduce en un primer momento por un acortamiento de las fibras, perceptible desde los 55ºC en la carne de ternera y a temperaturas más altas en los animales adultos (77ºC). A continuación, el colágeno se solubiliza muy rápidamente, hasta el 40%, en los animales jóvenes, y con más dificultad en los adultos, donde la solubilización solo llega al 5%. A partir de 70ºC el colágeno se hincha y se transforma en gelatina a 74ºC. 3.5. ACCIÓN SOBRE LAS VITAMINAS Las vitaminas son poco sensibles a las temperaturas de cocción, salvo la vitamina B1. Por contra el calor puede acelerar los fenómenos de oxidación cuando los alimentos se cuecen sin protección. Este es el caso de las vitaminas A, E, B2 y C. Aunque las pérdidas que se derivan no son tan importantes que puedan producir carencias entre los consumidores. 3.6. ESTUDIO EN CONJUNTO: EFECTO DE LA COCCIÓN SOBRE LAS PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS DE LOS ALIMENTOS 3.6.1. Productos de origen animal: carnes


Los tratamientos térmicos afectan al color de las carnes. El color marrón dorado aparece en la superficie de las carnes cocidas en seco, al aire o con aporte de grasas, llevadas rápidamente a alta temperatura. Se debe a la fusión y pirólisis de las grasas, a la carbonización de las proteínas, a la caramelización de los azúcares y a las reacciones de Maillard. El color marrón grisáceo está ligado a la desnaturalización de la mioglobina. Se observa en el centro de todas las piezas de carne cocidas y en la superficie de las cocidas en agua. El grado de cocción puede ser apreciado por el color obtenido: el centro de un filete “sangrante” ha alcanzado una temperatura inferior a los 60ºC, mientras que el del filete cocido “al punto” habrá llegado a los 65ºC y el del “bien hecho” por encima de los 75ºC. Estas modificaciones del color están ligadas a las de jugosidad y de terneza. Las modificaciones de la forma y del volumen están relacionadas con el acortamiento de las proteínas y se acompañan de exudación. La cocción se traduce por una pérdida más o menos importante de jugo, resultante de diversos mecanismos de los que ya se han citado algunos. Además de la pérdida de peso, que puede sobrepasar el 33%, la exudación hace disminuir la terneza, vuelve la carne más seca a la degustación y arrastra una parte de las sustancias solubles responsables del aroma de la carne.



139

La terneza es función de la temperatura alcanzada durante la cocción. Entre 45 y 60ºC la terneza aumenta gracias a la activación de las catepsinas. Estas temperaturas deben mantenerse bastante tiempo para obtener un efecto enzimático apreciable. Este efecto es la base de las técnicas de cocción prolongada a baja temperatura. Entre 64 y 72ºC la terneza disminuye. En el caso de ternera la pérdida de terneza comienza a 55ºC. Este fenómeno de endurecimiento rápido se debe al efecto combinado de la desnaturalización de las proteínas, del acortamiento de las fibras musculares y del tejido conjuntivo y a la pérdida de agua que acompaña a los fenómenos precedentes. Por encima de los 72ºC la terneza se mejora progresivamente, siendo la importancia de la ganancia obtenida muy variable según los distintos tipos de carne. Son las carnes más ricas en tejidos conjuntivos las que se ven más beneficiadas por este proceso. El incremento de la terneza aparece como consecuencia de la solubilización del colágeno, de su gelificación, y será necesario el transcurso de un cierto tiempo para obtenerlo. Las modificaciones del flavor provienen de la degradación de los lípidos, de los glúcidos y de los prótidos, y de la liberación a partir de estos precursores de los aromas de compuestos odoríferos o sápidos. Estas reacciones de degradación (reacciones de Maillard por ejemplo) no se producen a una velocidad notable más que por encima de los 60-70ºC. La carne deberá además mantener en su seno estos compuestos aromáticos durante el proceso de cocción para que sean perceptibles con posterioridad por el consumidor. 3.6.2. Productos de origen vegetal


En estos productos la cocción provoca modificaciones de color, de consistencia y de aroma. La clorofila desnaturalizada en presencia del aire sufre una oxidación que mantiene una coloración verde, mientras que el tratamiento al vacío provoca el pardeamiento del color. Para las legumbres y los cereales ricos en almidón, la cocción en medio húmedo provocará un ablandamiento más o menos intenso. La aparición del aroma de numerosos productos vegetales se debe no solamente a la acción enzimática, si no también a la liberación de pequeñas cantidades de ácido sulfhídrico, que pueden jugar el papel de potenciador de sabor mientras no se presente en exceso. 3.7. CINÉTICA DE LOS CAMBIOS EN LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS Por regla general, las reacciones responsables de los cambios encontrados en los componentes de los alimentos cuando se someten a un procesado térmico, obedecen a una cinética similar a la descrita para la destruc-


140


ción térmica de microorganismos. Por lo tanto podremos encontrar los parámetros D y z correspondientes a la destrucción de un componente termolabil (inactivación de una enzima, desnaturalización de una proteína, destrucción de una vitamina, decoloración o pardeamiento, cambio en la textura, etc.). Generalmente estas reacciones son menos termodependientes que la destrucción térmica de microorganismos, por lo que será posible encontrar una pareja tiempo-Temperatura que consiga el deseado efecto germicida a la vez que la preservación de la calidad nutricional y organoléptica del alimento. En las tablas 1 y 2 se recogen los valores de los parámetros D y z para algunos microorganismos y reacciones secundarias. Tabla 1. Parámetros cinéticos de algunos microorganismos Organismo

• Bacillus stearothermophilus TH34 (en agua) FS 7954 (en tampón fosfato) NCIB 8919 (en agua) • Bacillus subtilis 5230 (en agua) 5230 (en tampón fosfato) • Clostridium botulinum Tipo A (en agua) A35B (en tampón fosfato)


Temp. (ºC)

120 121 121

z (ºC)

Referencia

1.000 6 186

7,3 8,3 7,0

Davies et al. (1977) Wang et al. (1964) Briggs (1996) Jacobs et al. (1973) Wang et al. (1964)

121 121

6,0 21,9

8,3 8,8

121 121

6,0 19,2

8,3 10,8

6,6 96 5,34

9,8 10,3 8,3

Jacobs et al. (1973) Knock y Lambrechts (1956) Perkin et al. (1975) Matsuda et al. (1981) Stumbo et al. (1950)

4,4

6,9

Xezones et al. (1965)

1.550

6,7

Donnelly y Busta (1980)

402

3,6

Reichert (1979)

213B (en vegetales) 121 213B (en tampón fosfato) 110 62A (en puré de guisantes) 121 • Clostridium thermosaccharolyticum S9 (en agua) 132 • Desulfotomaculum nigrificans ATCC7946 (en al. infantiles) 121 • Escherichia coli Agua

D (seg)

55



141

Tabla 2. Parámetros cinéticos de algunos atributos de calidad Producto/Atributo


• Vitaminas Vitamina A Vitamina B1 Vitamina B6 Ácido pantoténico Vitamina C • Enzimas Peroxidasa Pectinesterasa Polifenoloxidasa • Textura Alubias Zanahorias Judías verdes Guisantes Patata Arroz • Color Pigmentos verdes Espárrago Judías verdes Guisantes Espinacas (Pigmentos rojos) Uva (Pardeamiento) Leche

Temp. (ºC)

122 150 121 121,1 121,1

D (10 –3 seg)

z (ºC)

Referencia

2,4 0,83 24,0 138,0 50

23 22 45 35,8 18,2

Wilkinson et al. (1981) Feliciotti y Esselan (1957) Navankattusas y Lund (1982) Hamm y Lund (1978) Lathrop y Leung (1980)

120 80 89

0,83 16,7-3,7 0,1

27,8 7,8 7,8

Adams (1978) Massaguer et al. (1994) Dagerskog (1977)

110 121,1 121,1 121,1 100 75

84,9 0,59 0,12 0,14 0,048 4,6

21,3 47 16,9 31,8 17,0 35,2

Van Loey et al. (1955) Huang y Bourne (1983) Tijskens y Schijvens (1987) Hayakawa et al. (1977) Dagerskog (1977) Suzuki et al. (1976)

121,1 121,1 121,1 148,8

1,02 1,26 1,5 0,21

41,6 38,8 39,4 51,1

Hayakawa y Timbers (1971) Hayakawa y Timbers (1971) Hayakawa y Timbers (1971) Gupta et al. (1964)

121

7,2

54,7

Mishkin y Saguy (1982)

130

0,012

26,7

Kessler y Fink (1986)

Como se puede apreciar en las dos tablas citadas, existen discrepancias en la cuantificación de los parámetros cinéticos según los distintos autores y las distintas condiciones en las que han sido evaluados. Dejando aparte los posibles errores de método existentes entre unos y otros autores, existe una serie de factores que contribuyen a las variaciones encontradas en los resultados experimentales para un mismo microorganismo: la


142



concentración inicial de células o esporas, las condiciones previas de vida de los microorganismos, y la composición del sustrato en que se produce el tratamiento térmico. Se puede asegurar que cuanto mayor sea el número de microorganismos presentes en el producto, más intenso deberá ser el tratamiento térmico para conseguir su destrucción, por lo que se encontrará que su termorresistencia es mayor. En cuanto a las condiciones previas, se puede decir que las bacterias se harán más resistentes cuanto más apropiado haya sido el medio de cultivo para su crecimiento, que su termorresistencia aumentará con la temperatura de incubación (suele ser máxima cuando ésta se acerca a la máxima de crecimiento), y que variará con la edad o fase de crecimiento. La termorresistencia de las fases vegetativas varía con la fase de crecimiento, siendo mayor en las últimas etapas de la fase de latencia y menor durante la fase de crecimiento logarítmico (véase Capítulos II y III). En el caso de las esporas, la termorresistencia varía con la edad, siendo menor en las esporas jóvenes que en las maduras. Por último, también es muy importante la composición del sustrato en el que se realiza el tratamiento térmico. La termorresistencia será más elevada cuanto menor sea la actividad de agua del medio. En general tanto las esporas como las bacterias son más resistentes al calor cuando se encuentran en un sustrato de pH neutro o próximo a la neutralidad. Por lo tanto un aumento de la acidez o de la alcalinidad del medio acelera la termodestrucción, siendo más acentuado el proceso cuando el cambio se produce hacia la acidez que hacia la alcalinidad. Esta es una de las razones por las que los alimentos se suelen clasificar según su pH antes de determinar el tratamiento térmico que deben recibir. Habitualmente se emplean dos clasificaciones de los alimentos de acuerdo con su pH, una muy sencilla que únicamente distingue dos grupos: alimentos con un pH mayor o menor de 4,5; y otra algo más explícita que clasifica los alimentos en cuatro grupos: • Alimentos de acidez baja: pH>5,3 (guisantes, carnes, leche…) • Alimentos de acidez media: 5,3>pH>4,5 (espinacas, espárragos…) • Alimentos ácidos: 4,5>pH>3,7 (tomates, pera, piña…) • Alimentos muy ácidos: pH<3,7 (moras, grosellas…)

4. CUANTIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Si se pretende dominar el procesado térmico, es necesario disponer de un criterio para evaluar la eficacia de cualquier tratamiento. El sistema que



143

se emplea es establecer una comparación con otro tratamiento de eficacia conocida. En primer lugar se debe elegir un microorganismo de referencia. En los casos de esterilización el microorganismo elegido es el Clostridium botulinum , cuyo parámetro z se admite que tiene un valor de 10ºC. El segundo paso es elegir una temperatura de referencia, que para la esterilización suele ser de 121,1ºC (que es la expresión en ºC de la temperatura de referencia elegida por los primeros autores americanos: 250ºF). Una vez escogidos el microorganismo y la temperatura, podremos convertir cualquier tratamiento a las condiciones de referencia con lo cual se podrá conocer cual es su intensidad. La relación de letalidad de dos tratamientos se puede encontrar obteniendo el cociente de sus parámetros D: LT = D* D

El valor de este cociente se calcula a partir de la ecuación [4]: LT = D* = 10 D

T – T* z

Esta sería la relación de letalidad entre dos tratamientos de 1 minuto, uno realizado a la temperatura de referencia (T*) y otro a cualquier temperatura (T), para un microorganismo cuyo parámetro de termorresistencia vale z (ºC). Si el tratamiento es de t minutos tendremos: F T* = LT · t = t · 10 . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

T – T* z

A la relación de letalidad se denomina valor FT* cuando el tratamiento es de más de 1 minuto, y es conveniente indicar cual ha sido la temperatura de referencia (T*) considerada. Cuando la temperatura de referencia es 121,1ºC y el microorganismo de referencia tiene un valor z = 10ºC (Clostridium botulinum), la relación de letalidad se denomina Fo: F 0 = F 10121,1

Todo lo referido en los párrafos anteriores es válido si se considera un tratamiento a temperatura constante, y por lo tanto de calentamiento y enfriamiento instantáneos. Esto en la práctica no es posible, ya que en cualquier tratamiento tendremos periodos de tiempo a temperaturas distintas, cada una de las cuales presentará una relación de letalidad LT diferente. Es ese caso, el


144


valor F se calculará sumando los productos de las letalidades de cada temperatura por el tiempo que se haya aplicado cada una de ellas: F T* = ∑ LTi · ∆t i

Que para una variación continua de la temperatura se convertirá en: t

F T* =  L(T) dt 0

En el caso de que se esté considerando un tratamiento de esterilización, la expresión anterior quedaría: t

F 0 =  10

T – 121,1 10

0

dt

[5]

Si lo que se estudia es el efecto de cocción que ha tenido el tratamiento, se puede establecer un valor C, como anteriormente establecimos el valor F, que indique la relación de intensidad entre un proceso en condiciones de referencia y otro proceso cualquiera. Para ello se deberá también decidir que temperatura se toma como referencia y para que proceso de los que pueden ocurrir se elige el valor z. Generalmente se toma como temperatura de referencia 100ºC, pero en la elección del valor z no existe tanta unanimidad, ya que cada autor se inclina por emplear el valor correspondiente al componente o propiedad que está estudiando. Por lo tanto la ecuación quedaría de esta forma: t

C =  10

T – 100 z

0


dt

En el caso de que se trabaje con productos de pH<4,5 (productos ácidos), en los que el Clostridium botulinum no puede germinar, no tiene sentido emplear este microorganismo como referencia, ya que el procesado se dirigirá a la destrucción de otros microorganismos que exigen tratamientos térmicos menos severos, que darían valores de Fo tan pequeños que no serían prácticos de manejar. En estos casos es más lógico emplear, para cuantificar la letalidad del tratamiento, el valor de pasterización P que viene dado, de forma similar a los valores F y C, por la expresión: t

P10 65 =  10 0

T – 65 10

dt

Como puede verse, en este caso la temperatura de referencia serán 65ºC y el microorganismo de referencia tendrá un valor z = 10ºC.



145

Una vez establecida la herramienta de comparación, será necesario decidir si el valor obtenido para cada uno de los procesos es o no adecuado. Esto será importante sobre todo en el caso de la esterilización, donde lo que está en juego es la salud pública. Desde este punto de vista vamos a ver cual sería el valor Fo mínimo en el caso más desfavorable: alimentos poco ácidos (pH>4,5), en los que el microorganismo esporulado patógeno más termorresistente que se puede encontrar es el Clostridium botulinum, que produce una toxina que capaz de causar incluso la muerte a los humanos. Como ya se ha dicho con anteriormente, se considera la salud pública a salvo cuando se haya aplicado un tratamiento térmico que consiga 12 reducciones decimales. Como para Cl. Botulinum el valor más alto para D121,1 es de 0,3 minutos, el tratamiento térmico a esta temperatura deberá prolongarse durante: t 121,1 = n · D121,1 = 12 · 0,3 = 3,6 minutos

Por lo tanto, cualquier tratamiento con un Fo mayor de 3,6 presentará una probabilidad de supervivencia para Cl. Botulinum menor de 10 –12. En la práctica esto significa que suponiendo que antes del tratamiento térmico, cada uno de los envases producidos por una determinada empresa está contaminado por una espora de Cl. Botulinum , después de un procesado de Fo=3,6 se mantendrá una espora superviviente (un envase contaminado) por cada billón de envases tratados.

5. CINÉTICA DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN LOS PRODUCTOS ENVASADOS


Hasta ahora, al hablar del tiempo de proceso se ha supuesto que durante ese tiempo el producto se mantenía a la temperatura requerida. Esto significa que el producto alcanza la temperatura de régimen de forma instantánea y se enfría de la misma forma, lo que en la práctica solo es casi cierto cuando se tratan líquidos a granel en capa muy fina. En el resto de los casos tendremos una determinada masa de producto que se calentará y enfriará dentro de un envase, y estos intercambios térmicos se verán afectados tanto por la naturaleza de producto y envase como por la geometría de éste último (tabla 3). La norma general será que el producto, antes de alcanzar la temperatura de régimen, haya tenido una historia tiempo-Temperatura más o menos larga que dependerá de los factores antes comentados y de la eficacia del sistema de calentamiento empleado, y que en el enfriamiento ocurra algo semejante aunque en sentido inverso. Para conocer la letalidad (o la modificación de las características del producto) producida por un tratamiento en estas condiciones, se tendrá que tener en cuenta el efecto conseguido tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento.


146


Tabla 3. Factores que condicionan la penetración de calor Factor

Proceso

Coeficiente superficial de transmisión de calor Agitación

Producto

Naturaleza

Temperatura inicial

Envase

Propiedades termofísicas Materiales Geometría


Comentario

El coeficiente de película, h, gobierna la transmisión de calor sobre la superficie del envase, y es una característica del equipo empleado y del vector usado en la transmisión de calor. El valor más alto de coeficiente de película se obtiene con vapor condensándose. La agitación de los envases incrementa la transmisión de calor para determinados productos: líquidos viscosos o sólidos en el seno de líquidos, que soporten el movimiento sin dañarse. La naturaleza del producto condiciona la penetración de calor, permitiendo la transmisión de calor por convección o por conducción. Algunos productos cambian de mecanismo de transmisión de calor a lo largo del proceso. Cuanto más alta sea la temperatura inicial más corto será el proceso. Los procesos más sensibles a las diferencias de temperatura inicial son los que transcurren por conducción. Es importante principalmente la difusividad térmica. Pueden ser muy distintos: hojalata, aluminio, vidrio, film plástico, etc. La conductividad térmica de estos materiales determinan la penetración de calor. La relación superficie/volumen condiciona la penetración de calor, que mejorará al incrementarse dicha relación.

El factor más importante de los que condicionan la penetración del calor en los productos es su naturaleza, que es la que va a determinar por qué mecanismo de transmisión de calor va a producirse el intercambio térmico. En la práctica industrial se pueden encontrar los siguientes tipos de productos: • Líquidos de baja viscosidad que permiten la formación de corrientes de convección, en los que el calentamiento es muy rápido (p.ej.: zumos, leche, etc.) • Sólidos, o líquidos de alta viscosidad, en los que el calor se transmite por conducción, y por lo tanto el calentamiento es más lento. Durante el calentamiento y el enfriamiento la temperatura tomará un valor distinto en cada punto de la masa del producto, y durante esos periodos, para una localización determinada la temperatura variará con el tiempo. • Líquidos que contienen en su seno sólidos de pequeño tamaño, de forma que la penetración de calor viene determinada en gran medida por la movilidad del líquido (proporcional a la relación líquido/sólido existente). La temperatura de los sólidos puede considerarse la misma que la del líquido que los rodea.




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• Sólidos con un líquido de cobertura, en este caso el líquido se calentará por convección (con mayor o menor facilidad dependiendo de la posibilidad de formar corrientes de convección por los espacios libres entre los sólidos), y servirá de vector del calor al sólido que a su vez se calentará por conducción. • Productos que comienzan a calentarse por conducción y en un determinado momento (por cambios en su estructura y propiedades reológicas) pasan a terminar el proceso calentándose por convección. Es evidente que para poder estudiar el proceso de calentamiento de cualquier producto en su envase es necesario conocer como evoluciona la temperatura en su interior, y tener en cuenta que la selección del punto de medida de esta temperatura es de crucial importancia. La temperatura deberá medirse en el punto en el que el calentamiento sea más lento, al que llamaremos punto crítico, ya que de esta forma se tendrá la seguridad de que todos los demás puntos del producto habrán recibido un tratamiento térmico de mayor intensidad que el determinado con la medida realizada, y se podrá pensar que si el procesado del producto ha sido suficiente en el punto crítico, también lo habrá sido para el resto de la masa del alimento. El problema se reduce a localizar el punto crítico y colocar en él el sensor de temperatura. Generalmente se admite que: • Para productos que se calientan por convección, en envases cilíndricos, el punto crítico se sitúa en el eje longitudinal a 1/5 de la altura, medido desde la base. • Para productos que se calientan por conducción, en envases cilíndricos o de otras formas, el punto crítico se localiza en el centro geométrico de su masa. • Para productos en los que intervienen los dos mecanismos de transmisión de calor (sólidos en líquido de gobierno), será necesario asegurarse de que el centro del sólido de mayor tamaño recibe el tratamiento adecuado, y será allí donde se deba posicionar el sensor. Una vez colocado en posición el sistema de medida de temperatura se podrán obtener las gráficas correspondientes a la evolución de la temperatura en función del tiempo, para el producto que se está tratando y para el recinto donde se produce el tratamiento. En la gráfica 6 se muestra un ejemplo de esterilización en autoclave de un producto líquido, que se calienta por convección, envasado en un tarro de vidrio, en ella se distinguen perfectamente las tres fases del proceso: • Calentamiento: en la que la temperatura del recinto se incrementa con una determinada pendiente hasta alcanzar la temperatura de régimen. En esta fase la temperatura del producto sigue a la del recinto con un retraso que será función de la naturaleza del producto y de las características del envase: espesor de la pared y conductividad térmica del material. • Mantenimiento: en esta fase la temperatura de régimen permanece todo lo constante que puedan mantenerla los instrumentos de control instala-


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dos en el autoclave. La temperatura del producto tiende a igualarse a la de recinto y lo consigue en un tiempo más o menos largo que depende de los mismos factores que el retraso de la fase anterior. • Enfriamiento: en esta fase el recinto se enfría hasta una temperatura próxima a la temperatura ambiente. El producto sigue al recinto en su enfriamiento con el retraso correspondiente, por lo tanto durante toda esta fase del proceso se encontrará a mayor temperatura que el recinto.

Gráfica 6.–Esterilización de un líquido de baja viscosidad en autoclave. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Si el líquido se encuentra en libertad dentro del envase, se podrá considerar que durante todo el proceso las diferencias de temperatura en la masa del producto son mínimas y que existirá una homogeneidad suficiente en el tratamiento recibido por el producto. En el caso de que el producto se caliente por conducción, se tendrá una evolución de la temperatura como la que se muestra en la gráfica 7, obtenida en la esterilización de un líquido suficientemente viscoso para que no se produzcan corrientes de convección. En este caso también pueden verse claramente las tres fases del proceso, aunque la respuesta del producto a la variación de temperatura del recinto es mucho más lenta. • Calentamiento : durante esta fase el producto prácticamente no tiene tiempo de cambiar de temperatura, solamente inicia su calentamiento.



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• Mantenimiento: es la fase más larga y que tiene mayor efecto en la letalidad del proceso. En ella el centro térmico del producto, lentamente, va alcanzando la temperatura del recinto. • Enfriamiento: lógicamente también es mucho más largo que en el caso de transmisión de calor por convección, las diferencias de temperatura entre el recinto y el punto crítico del producto son muy importantes.

Gráfica 7.–Esterilización en autoclave de un líquido viscoso.


El tratamiento térmico recibido por la masa de producto, por definición, no es homogéneo. Las capas exteriores, que se encuentran en contacto con el envase, se han calentado antes, han alcanzado una mayor temperatura y se han mantenido a esta temperatura más tiempo que el punto crítico, que es donde se han realizado las lecturas de las temperaturas. Lo mismo, pero en sentido inverso, ha ocurrido durante el enfriamiento, en el que la superficie se ha enfriado más rápidamente que el punto crítico. Esto se aprecia mejor observando la gráfica 8 obtenida durante el procesado térmico de un producto cárnico de forma cilíndrica. Las temperaturas se han tomado en el punto crítico y en cuatro puntos situados en uno de los radios del plano transversal central, separados 5 mm cada uno de ellos. La temperatura de la superficie externa del producto se puede considerar sensiblemente igual a la del recinto. Si se observa el momento en el que concluye la fase de calentamiento, la superficie del producto se encuentra ya a 110ºC mientas que el punto crítico


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Gráfica 8.–Evolución de las temperaturas de las distintas capas de un producto cárnico de forma cilíndrica durante su procesado térmico.


solo ha alcanzado los 56,7ºC (53,3ºC de diferencia). Y entre estos dos extremos está toda la masa del producto, más fría cuanto más cerca se encuentre del eje del cilindro. Estas diferencias se van reduciendo a la vez que transcurre el tiempo, para volver a aparecer cuando comienza el enfriamiento. En estas condiciones es de esperar que la letalidad aplicada al punto crítico sea muy inferior a la que recibe la superficie del producto, en nuestro ejemplo el punto crítico recibió un tratamiento de Fo = 15,4, mientras el Fo de la superficie fue de 25,5. De lo dicho en los párrafos anteriores se deduce que no se puede esperar homogeneidad en el tratamiento térmico de productos que se calienten por conducción: para que el centro reciba el tratamiento necesario la superficie habrá recibido una sobrecocción tanto mayor cuanto mayor sea el espesor del producto.

6. CÁLCULO DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO Para conocer la letalidad de un tratamiento es suficiente resolver la ecuación [5]: t

F 0 =  10 0

T – 121,1 10

dt



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La resolución de esta ecuación exige el conocimiento de la evolución de la temperatura, en función del tiempo, del punto crítico del producto durante el tratamiento térmico. Conocidos estos valores, lo más sencillo es emplear el llamado “método general”, desarrollado por Bigelow y col. en 1920, y que consiste en la integración gráfica o numérica de la ecuación anterior. Se parte de una curva tiempo-Temperatura que se puede haber obtenido experimentalmente (midiendo las temperaturas del punto crítico del producto en un ensayo de procesado), o bien a partir de una simulación matemática del comportamiento térmico del producto. Para cada pareja tiempo-Temperatura se calcula el correspondiente valor de LT: LT = 10

T – 121,1 10

El paso siguiente es representar estos valores frente al tiempo, como se ha hecho en la gráfica 9 (para las temperaturas presentadas anteriormente en la gráfica 7). La letalidad del tratamiento, Fo, se obtendrá calculando el área comprendida entre la curva LT y el eje de tiempos. El cálculo de este área puede hacerse, como ya se ha dicho antes: • gráficamente: con un planímetro o dibujando la curva en papel cuadriculado y contando las cuadrículas comprendidas en su interior,


t

L

Gráfica 9.–Cálculo de LT


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• numéricamente: por cualquiera de los métodos existentes, la regla de Simpsons, la regla del trapecio, o utilizando el sistema propuesto por Patashnik (1953) que es el más sencillo: ajustando los intervalos de tiempo a 1 minuto y sumando los valores de L T calculados para las temperaturas correspondientes a este intervalo de tiempo.

7. PREDICCIÓN DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO La simulación del comportamiento térmico del producto es útil cuando se quiere predecir el valor esterilizador que alcanzará un determinado tratamiento, o cuando se quiere conocer cual deberá ser el tiempo necesario de aplicación de una temperatura para alcanzar la letalidad buscada. En estos casos la posibilidad de simular la curva de penetración de calor en el producto elimina la necesidad de realizar los ensayos necesarios para trazar las curvas de penetración de calor experimentales, ahorrándose de esta forma tiempo, producto y energía. 7.1. SIMULACIÓN DE LA CURVA DE PENETRACIÓN DE CALOR PARA UN PRODUCTO QUE SE CALIENTE POR CONVECCIÓN Para esta simulación se puede partir del balance del calor tomado por el producto en el procesado: dQ = A · U (T r – T) dt = A · h (T r – T) dt = m · ce · dT A · h dT dt = m · ce T r – T . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

dt dT = E T r – T

donde: dQ = calor tomado por el producto A = área de transferencia U = Coeficiente global de transmisión de calor Tr = temperatura del recinto T = temperatura del producto t = tiempo h = coeficiente de transmisión de calor por convección m = masa de producto ce = calor específico del producto m · c e E = coeficiente de inercia térmica = A · h


[6]


153

Se ha supuesto que la transferencia de calor dentro del envase se realiza únicamente por convección: U = h. Esta ecuación diferencial tendrá una solución distinta según se trate de la fase de calentamiento, de mantenimiento o de enfriamiento, ya que: • Durante el calentamiento la temperatura en los autoclaves suele ser una función lineal del tiempo: T r = T r0 + bt

donde: Tr0 = temperatura inicial del recinto b = pendiente recta de calentamiento

• Durante la fase de mantenimiento de la temperatura se puede considerar, sin que el error sea excesivo, que la temperatura se mantiene constante, por lo tanto: T r = K

• Durante el enfriamiento, si la refrigeración se realiza por medio de un cambiador de calor, la temperatura del autoclave será una función exponencial del tiempo que se ajustará a la ecuación: T r0 – T a T r = T a + ———— t EXP k c

( )


donde: Ta = temperatura del agua de enfriamiento kc = constante del cambiador de calor Teniendo en cuenta lo anterior, y haciendo las oportunas sustituciones, la integral de la ecuación [6] para cada fase del proceso quedará como sigue: • Calentamiento: t T = T r – b · E – (T r0 – T 0 – b · E ) EXP E • Mantenimiento:

(– )

[

t E

( (– ))]

T = T r – (T r – T 0) EXP

• Enfriamiento: E T = T r + (T – T ) EXP k c – E r0 a

k c t t + (T 0 – T a – (T r0 – T a) EXP k c – E k c E

(– ) [

] (– )


154


El coeficiente de inercia térmica, o retraso, E, para cada producto y envase se obtiene midiendo la separación (en unidades de tiempo) entre las ramas paralelas de las curvas de calentamiento de recinto y producto. En la gráfica 10 puede verse la precisión que se alcanza con este tipo de simulación.

Gráfica 10.–Simulación de la curva de penetración de calor en un producto que se calienta por convección.


7.2. SIMULACIÓN DE LA CURVA DE PENETRACIÓN DE CALOR PARA UN PRODUCTO QUE SE CALIENTE POR CONDUCCIÓN En este caso es necesario disponer de un modelo matemático que asuma que durante el calentamiento y enfriamiento: • el calor, o frío, se aplica únicamente a la superficie del producto, • la temperatura toma un valor distinto en cada punto de la masa del producto, • para una localización determinada la temperatura varía con el tiempo. La expresión matemática que describe un proceso de esta naturaleza es la ecuación diferencial clásica para la conducción del calor, que para un cilindro finito toma la forma: ∂T =α ∂t

[

1 ∂T ∂2T ∂2T + + r ∂r ∂r2 ∂h2

]



donde

155

T = temperatura del producto t = tiempo α = difusividad térmica r = posición radial en el cilindro h = posición vertical en el cilindro

Como puede verse, la única característica que se debe conocer del producto para resolver esta ecuación es su difusividad térmica. La difusividad térmica puede calcularse conociendo las propiedades termofísicas del producto, ya que: α

=

k ρ · c p

donde: k = conductividad térmica ρ = densidad ce = calor específico Conocer las propiedades termofísicas de un alimento no es demasiado frecuente, por lo que es más habitual calcular la difusividad térmica aplicando la siguiente ecuación; cuando el producto se encuentra en un envase cilíndrico: 0,398 1 0,427 + f h R2 H 2

α = —————–

(

donde: . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

)

R = radio del cilindro H = semialtura del cilindro f h = factor de pendiente de la curva de penetración de calor

El factor de pendiente f h se puede calcular para cada producto conociendo su curva de penetración de calor. Para ello se representa el logaritmo de la diferencia entre la temperatura del autoclave y la del producto contra el tiempo de proceso. A la rama descendente de esta curva se le ajusta una recta, cuyo inverso de la pendiente será el factor f h, como puede verse en la gráfica 11. Al calcular de esta forma la difusividad térmica, se tiene en cuenta también las características termofísicas del envase en el que se encuentra el producto y la efectividad del sistema de calentamiento empleado. Es decir que el valor encontrado será válido para un determinado producto, en un tipo de envase y procesado en un cierto autoclave.


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Gráfica 11.–Cálculo del factor de pendiente de la curva de penetración de calor.

Conociendo el valor de la difusividad térmica, se puede resolver la ecuación diferencial de transmisión de calor por conducción por distintos métodos, por ejemplo escribiéndola en forma de diferencias finitas, para aprovechar que así se puede sistematizar su resolución con un sencillo programa informático.


Gráfica 12.–Simulación de la curva de penetración de calor en un producto que se calienta por conducción.



157

En la gráfica 12 se puede observar la precisión de la simulación para el caso que se había visto anteriormente en la gráfica 7. 7.3. SIMULACIÓN DE LA CURVA DE PENETRACIÓN DE CALOR PARA PRODUCTOS SÓLIDOS ENVASADOS EN LÍQUIDO DE COBERTURA Como ya se explicó anteriormente, en este caso actuarían los dos mecanismos de penetración de calor: convección para el calentamiento del líquido y conducción para el calentamiento de los sólidos. Es evidente que la simulación deberá hacerse de esta misma forma: se simulará como se ha visto por convección el calentamiento del líquido (para lo cual se deberá ajustar el valor del retraso o coeficiente de inercia térmica) y a partir de la temperatura del líquido se simulará el calentamiento por conducción de las piezas de sólido de que se trate. Dependiendo de la geometría del sólido se elegirá la ecuación diferencial de conducción de calor adecuada: para cilindros, esferas o cubos. En la gráfica 13 se puede ver un ejemplo de simulación de esterilización de un sólido cilíndrico en líquido de gobierno.


Gráfica 13.–Simulación de las curvas de penetración de calor en el caso de un producto sólido envasado en líquido de gobierno.


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8. OPTIMIZACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO


Los objetivos de la aplicación de tratamientos térmicos a los alimentos pueden resumirse en: • Destrucción de los microorganismos patógenos. • Evitar las alteraciones producidas por los microorganismos no patógenos. • Aplicar el grado de cocción adecuado al tipo de alimento en cuestión. En primer lugar el tratamiento térmico debe estar enfocado a destruir las esporas de la bacteria anaerobia patógena más termorresistente, que para los productos poco ácidos es Clostridium botulinum , cuyas células vegetativas producen la toxina más potente conocida. El segundo objetivo que se pretende es la obtención de lo que se llama “estabilidad” de la conserva, y para ello es suficiente que el número de esporas supervivientes, de especies no patógenas, sea aceptablemente pequeño. Teniendo en cuenta que las esporas de las bacterias no patógenas capaces de desarrollarse en las conservas son mucho más termorresistentes que las de Clostridium botulinum y se encuentran en mayor número, los tratamientos que conducen a la destrucción parcial de su población serán generalmente suficientes para minimizar el riesgo asociado al Clostridium botulinum . La obtención de la estabilidad conlleva, la mayoría de las veces, la seguridad para el consumidor. Además debemos cumplir un tercer objetivo: cocer el alimento suficientemente para que solo requiera su calentamiento antes del consumo. En el pasado fue práctica común emplear un proceso en dos partes para algunos alimentos listos para el consumo (p.ej.: judías con tomate): el producto se cocía en primer lugar a baja temperatura y durante un tiempo largo (en esta parte del proceso no se producía una destrucción significativa de microorganismos) y a continuación se esterilizaba a alta temperatura (en esta parte del proceso se aplicaba un tratamiento de cocción muy limitado). Esto era posible debido a que la diferencia fundamental entre el proceso de destrucción térmica de microorganismos y el efecto de cocción y destrucción de nutrientes es que sus parámetros cinéticos z y D son muy distintos (ver tablas 1 y 2). El valor del parámetro z es mucho mayor para los efectos de cocido (8-55ºC) que para los de inactivación microbiana (4-12ºC). En términos generales, por cada 10ºC de elevación de temperatura, la cocción se dobla mientras que el efecto esterilizador se incrementa 10 veces. Esta es la base de que los tratamientos a alta temperatura y corto tiempo tengan muy poco efecto de cocción. En la actualidad no es razonable plantear procesos en dos partes. El procesado comercial debe alcanzar el equilibrio entre las necesidades de destrucción microbiana y la cocción. Hay que ser capaz de encontrar un proceso que conjugue los dos fines. Como se ha visto en todo este Capítulo, es posible plantear un gran número de procesos con un mismo Fo, conseguido a distintas parejas de tiempo-Temperatura. Se puede decir lo mismo del efecto de cocción, luego



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se tendrá que elegir precisamente una pareja que satisfaga a la vez, de la mejor forma posible, los dos requerimientos. 8.1. DETERMINACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO CAPAZ DE CONSEGUIR LA ESTABILIDAD Para determinar la letalidad exigida a un tratamiento para que el producto obtenido presente la estabilidad suficiente es necesario conocer: • La concentración de la bacteria esporulada anaerobia más termorresistente que esté presente en la materia prima. • Los parámetros de termorresistencia de esta bacteria. • El volumen de los envases que se van a producir. • El “riesgo de no estabilidad” que se admite. Se entiende como “riesgo de no estabilidad” el número de microorganismos supervivientes que quedarán por envase después del tratamiento térmico. Si recordamos la ecuación [2] S = N · 10

t D

siendo: S = n.º de microorganismos supervivientes después del tratamiento N = n.º de microorganismos iniciales t = tiempo de tratamiento D = duración de la reducción decimal. Como: N = C · V


siendo: C = concentración inicial de microorganismos V = volumen del envase considerado Será cierto que: – t D

S = C · V · 10 t D

10 = t = D · log

(

C · V S

C · V S

)

Por lo tanto, como ya se ha dicho, si se conoce la concentración inicial de la bacteria esporulada más termorresistente capaz de vivir en la conserva, el volumen de los envases que se van a utilizar, el parámetro de termorresistencia


160


D, a la temperatura a la que se vaya a realizar el tratamiento, se podrá conocer el tiempo a mantener dicha temperatura, si se decide cuantos supervivientes se pueden admitir comercialmente. Generalmente se admite que el riesgo comercial es asumible si S<10 –4, o dicho de otra forma, el riesgo comercial comienza a ser asumible cuando el número de envases defectuosos es menor que 1 de cada 10.000. Una vez determinado este tiempo se deberá comprobar si el Fo conseguido con el tratamiento es mayor de 3,6 para verificar que la salud del consumidor está asegurada. Ejemplo:

Si se parte de unos envases de conserva de 400 ml que contienen, antes del tratamiento térmico, 10 esporas/envase de Desulfotomaculum nigrificans , una bacteria no patógena cuyo D121,1 = 24,9 (tabla 1), y se pretende que después del tratamiento térmico el riesgo asumido sea de que aparezca 1 envase defectuoso por cada 10.000. El tiempo de tratamiento a 121,1ºC se calculará de la siguiente forma: 10 C · V t 121,1 = D121,1 · log = 24,9 log = 124,5 min 10 –4 S

(

)

(

)

Será necesario un tratamiento de Fo = 124,5 (124,5 minutos a 121,1ºC) para alcanzar la estabilidad requerida a la conserva, y desde luego, este tratamiento será más que suficiente para garantizar la salud pública. 8.2. ELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE PROCESO


Una vez conocido el Fo que se debe aplicar al producto para que se alcance la estabilidad requerida y se preserve la salud pública, solo queda compatibilizar las condiciones del proceso de esterilización con las del proceso de cocción. Se deberá conocer cual es el valor C exigido al proceso y encontrar una pareja de tiempo-Temperatura que cumpla a la vez con los dos valores. La elección de las condiciones de proceso se puede realizar representando gráficamente las distintas parejas tiempo-Temperatura (en papel semilogarítmico) que satisfacen los valores de Fo y C requeridos. Se obtendrán así dos curvas que dividirán el plano de la gráfica en 4 partes: • A: zona de producto sobreesterilizado y sobrecocido. • B: zona de producto sobreesterilizado y subcocido. • C: zona de producto subesterilizado y subcocido. • D: zona de producto subesterilizado y sobrecocido. En el punto en el que se cruzan las dos curvas se dan las condiciones exactas que cumplirán, a la vez, las necesidades de esterilización y de cocción, como puede verse en la gráfica 14:



161

Gráfica 14.–Determinación de las condiciones óptimas de proceso.

Los puntos de las curvas se han obtenido de la simulación del proceso de esterilización para Fo = 3 a distintas temperaturas de régimen (103 a 114ºC) y 33 para un proceso de cocción de C 100 = 125, considerando que el producto se calentaba por conducción, y teniendo en cuenta la letalidad conseguida durante el calentamiento y el enfriamiento. Si se hubiera supuesto un proceso de calentamiento y enfriamiento instantáneos las curvas obtenidas serían perfectamente rectas. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C


CAPÍTULO QUINTO

Pasteurización 1. OBJETIVOS


El término “pasteurización” se emplea en homenaje a Louis Pasteur, quien a mediados del siglo XIX realizó estudios referentes al efecto letal del calor sobre los microorganismos, y a su uso como sistema de conservación. Cuando se habla de pasteurización se entiende un tratamiento a baja temperatura (inferior a 100ºC), y de baja intensidad, en contraposición con la “esterilización”, término que se reserva para los tratamientos más intensos aplicados a temperaturas mayores. La pasteurización es pues un tratamiento térmico de baja intensidad que tiene objetivos distintos de acuerdo con los alimentos a los que se aplique: • para los alimentos poco ácidos, cuyo ejemplo más importante es la leche líquida, el objetivo principal es la destrucción de la flora patógena y la reducción de la flora banal, para conseguir un producto de corta conservación, pero de condiciones organolépticas muy próximas a las de la lecha cruda, evitando los riesgos para la salud de este último producto. • para los alimentos ácidos, cuyo ejemplo más importante son los zumos de frutas, conseguir una estabilización del producto que respete sus cualidades organolépticas, ya que no son necesarias las temperaturas mayores porque en medios ácidos no es posible el crecimiento de bacterias esporuladas. En el caso de la leche, los microorganismos patógenos mas importantes son el bacilo de Koch (productor de la tuberculosis), Salmonella typhi y paratyphi (productores del tifus), Brucella melitensis (bacilo de la fiebre de Malta), Streptococcus y Staphylococcus de la mamitis, etc. la mayor parte de estos gérmenes no producen alteraciones en la leche y no pueden ser puestos de manifiesto más que por análisis bacteriológico. Afortunadamente todos estos microorganismos son destruidos por un tratamiento térmico ligero. El organismo más termorresistente es el bacilo de la tuberculosis, que es el que se


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considera de referencia, ya que cualquier tratamiento que lo destruya habrá sido capaz de destruir al resto de contaminantes. Ninguno de los patógenos encontrados en la leche forma esporas, por lo que no se requieren para su destrucción temperaturas altas ni tiempos largos. Las condiciones de destrucción por el calor del bacilo de la tuberculosis aseguran una reducción importante de la flora banal, que permite la comercialización de la leche pasteurizada durante unos pocos días en condiciones de refrigeración. En los alimentos ácidos, solo encontramos microorganismos muy sensibles al calor, que pueden ser destruidos, como ya se ha dicho, por un tratamiento térmico ligero. En estos alimentos se desarrollan bacterias no esporuladas, muy sensibles al calor (las más termorresistentes pueden destruirse a 88ºC), levaduras y mohos, estos últimos tampoco soportan los medios anaerobios. Por lo tanto la estabilidad buscada puede encontrarse con un tratamiento de pasteurización, que además conseguirá la inactivación de enzimas, evitándose así las reacciones de pardeamiento y otras reacciones enzimáticas de deterioro del producto.

2. ELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE PASTEURIZACIÓN


Generalmente el factor limitante de los tratamientos de pasteurización es su actuación sobre las características organolépticas y nutricionales de los alimentos tratados. La elección de la temperatura y del tiempo de tratamiento vendrá condicionada por la preservación de la composición inicial del alimento: impedir la desnaturalización de las proteínas de la leche y la destrucción de las vitaminas de los zumos de frutas, evitando en todos los casos la aparición de los gustos a cocido que deteriorarían irreversiblemente los productos. Generalmente se puede elegir entre dos grandes sistemas de pasteurización: • baja temperatura durante un tiempo largo (LTLT: low temperature-long time): que para la leche sería mantener el producto a 63ºC durante 30 minutos, de forma que se consiga destruir el bacilo tuberculoso sin que la temperatura empleada afecte a las proteínas. • alta temperatura durante un tiempo corto (HTST: high temperature-short time): que en el caso de la leche consistiría en un calentamiento a 7275ºC durante 15-20 segundos y en el de los zumos llegaría hasta 77-92ºC durante 15-60 segundos. En este segundo caso las propiedades de los productos se ven muy poco afectadas, aunque las temperaturas sean más altas, por el corto tiempo de mantenimiento. El sistema de pasteurización elegido condicionará el equipamiento necesario para aplicarlo. El sistema LTLT se puede plantear, en procesos por cargas o continuos, para productos líquidos (que se calienten por convección) a granel (en marmitas) o envasados; también puede emplearse para productos sólidos que se calienten por conducción (productos cárnicos) ya que con estas bajas temperatu-


Pasteurización

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ras las diferencias en el procesado inherentes a este mecanismo de transmisión de calor se verán minimizadas. El sistema HTST solo tiene sentido para productos líquidos en procesos continuos, empleando equipos de intercambio térmico de suficiente eficiencia para que la homogeneidad del tratamiento sea la conveniente pese a que el tiempo sea tan corto. La única forma de aplicar una determinada temperatura durante 15-20 segundos es consiguiendo un calentamiento y un enfriamiento instantáneos de toda la masa de producto que se está tratando.

3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE LÍQUIDOS SIN ENVASAR Vamos a referirnos únicamente a los equipos empleados en la pasteurización HTST, que son los adecuados para el tratamiento en continuo. La instalación completa de pasteurización constará de una primera zona de calentamiento, una segunda zona de mantenimiento de la temperatura y una tercera de enfriamiento y de las bombas, sistemas de medida y de control y demás accesorios necesarios para conseguir un proceso preciso y eficiente. Las zonas en las que se realiza el intercambio térmico serán cambiadores de calor del tipo más adecuado para que el producto en cuestión reciba un tratamiento correcto y para que se minimice el consumo energético. El calor necesario para el proceso vendrá suministrado por agua caliente, ya que a las temperaturas de trabajo tan reducidas no será necesario, ni conveniente, el uso directo de vapor de agua. El enfriamiento final se realizará también contra agua, esta vez fría o helada, dependiendo de la temperatura a la que se desea que quede el producto al concluir el proceso. El producto pasteurizado será llevado a continuación, en las condiciones de asepsia adecuadas, al equipo de llenado de los envases en que se vaya a comercializar. 3.1. GENERALIDADES SOBRE CAMBIADORES DE CALOR . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Los cambiadores de calor son el núcleo central de un sistema de pasteurización, por lo que a continuación se exponen algunas de sus características más importantes y los tipos más utilizados en la industria agroalimentaria. 3.1.1. Circulación de los fluidos Existen dos opciones principales a la hora de elegir la circulación de los fluidos en un cambiador de calor: flujo en contracorriente y flujo en paralelo. 3.1.1.1. Flujo en contracorriente Como se ve en la figura 1, en este caso la entrada de los dos fluidos se produce por los dos extremos opuestos de cambiador de calor. De esta forma, el pro-


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ducto al entrar se encuentra con el fluido térmico que ha terminado su recorrido, y al salir se encuentra con el fluido térmico que acaba de entrar en el equipo. El producto frío se encuentra, a su entrada al cambiador, con el medio calefactor más frío, y según recorre el equipo se va encontrando con el fluido calefactor cada vez más caliente. El producto se calienta manteniendo en cada punto una pequeña diferencia de temperatura con el medio calefactor, como se muestra en la gráfica 1. Ts

Te

s1

Te1

Figura 1.–Cambiador de calor trabajando en contracorriente.

Ts2


) C º ( a r u t a r e p m e T

Te

Gráfica 1.–Evolución de las temperaturas de producto y fluido calefactor en un proceso en contracorriente.


Pasteurización

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3.1.1.2. Flujo en paralelo El flujo en paralelo se produce cuando producto y fluido térmico son introducidos en el cambiador por el mismo extremo, como se ve en la figura 2: Te

Ts2

Te1

Ts1

Figura 2.–Cambiador de calor trabajando en paralelo.

En este caso el producto se encuentra a la entrada del equipo con el fluido térmico a la máxima temperatura, por lo que el salto térmico inicial se irá reduciendo hasta que sea mínimo al otro extremo del equipo. En la gráfica 2 se puede apreciar como evolucionan las temperaturas en este caso.


) C º ( a r u t a r e p m e T

Gráfica 2.–Evolución de las temperaturas de producto y fluido calefactor en un proceso en paralelo.


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En un proceso con flujo en paralelo es imposible conseguir un mayor calentamiento del producto que el que se obtendría si se mezclase físicamente con el fluido calefactor. Esta limitación no existe cuando se utiliza un proceso en contracorriente, en el que el producto se puede calentar hasta una temperatura ligeramente inferior a la de entrada del fluido térmico. 3.1.2. Transmisión de calor


La eficacia de la transmisión de calor en estos equipos se puede valorar conociendo su coeficiente global de transmisión de calor, que indica la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo, por unidad de superficie de intercambio y por cada grado centígrado de diferencia de temperaturas. Es interesante conseguir los más altos valores para este coeficiente, ajustando de la mejor forma las variables de las que depende: • turbulencia del flujo, • forma, espesor y tipo de material de la pared de intercambio, • presencia de depósitos en la pared de intercambio. Cuanto mayor sea la turbulencia del flujo mayor será el coeficiente global de intercambio. La turbulencia se podrá incrementar aumentando la velocidad de circulación (reduciendo la sección de paso se conseguirá incrementar la velocidad para el mismo caudal y también que la capa de producto a tratar sea más fina y por lo tanto la distribución de temperaturas más homogénea). El aumento de la turbulencia incrementará la perdida de carga que se producirá en el equipo, lo que obligará a aumentar la presión de entrada de los fluidos si se quiere conservar sin cambios la presión de salida. La turbulencia conseguida dependerá de la viscosidad de los líquidos, cuanto mayor sea ésta, menor será la turbulencia alcanzada, por lo que será necesaria una mayor superficie de intercambio para conseguir la misma transferencia de calor. La forma de la pared de intercambio define el tipo de intercambiador, como se verá más adelante. El material usado universalmente para estar en contacto con los alimentos es el acero inoxidable, que tiene una conductividad térmica suficientemente alta. El espesor de la pared es una variable importante a tener en cuenta. Cuanto menor sea el espesor, mayor será el coeficiente global, luego la superficie de intercambio se fabricará tan fina como la resistencia estructural del equipo lo permita. La utilización de paredes delgadas es una cuestión de diseño global del intercambiador, cada tipo permite trabajar con unos determinados espesores sin que su integridad física se vea afectada por las presiones de trabajo. El último factor a considerar es la presencia de suciedad depositada sobre la superficie de intercambio. La mayoría de los productos tratados tienen una determinada sensibilidad al calor, encontrándose componentes que se ven afectados por él en mayor o menor medida y que pueden quedar depositados sobre la pared durante el tratamiento. La fina capa de producto depositada provoca una disminución de la conductividad térmica de la pared y con ella del coeficiente


Pasteurización

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global del equipo, haciendo que en estas condiciones la superficie instalada no sea suficiente para transferir el calor previsto. Si el espesor de la capa depositada se incrementa puede incluso reducir la sección libre de paso de forma significativa, afectando a la perdida de carga producida en el equipo, siendo insuficiente la presión de entrada suministrada por la bomba, reduciéndose el caudal bombeado y variando por lo tanto el tiempo de mantenimiento a la temperatura de proceso. Todo lo anterior lleva a que el tratamiento térmico conseguido en estas condiciones no sea el correcto, y sea indispensable mantener las superficies de intercambio perfectamente libres de depósitos para evitar todos estos problemas. 3.2. CAMBIADORES DE CALOR TUBULARES Bajo este nombre se agrupan todos los cambiadores de calor en los que la superficie de intercambio esta formada por tubos, cualquiera que sea su disposición. Con estos equipos se pueden tratar líquidos de viscosidad baja, media e incluso alta en algunos modelos, y de acuerdo con el diámetro de los tubos, incluso con partículas sólidas hasta un cierto tamaño. Desde el punto de vista de la transmisión de calor son de eficiencia media. 3.2.1. Cambiadores de tubos coaxiales


Fundamentalmente están compuestos por una serie de parejas de tubos concéntricos unidos unos a otros por medio de codos. Por el interior de los tubos circulan los fluidos, generalmente el producto ocupa el espacio central mientras que el fluido térmico se coloca en el espacio anular que queda libre entre los dos tubos. Los tubos que se emplean en la fabricación de estos cambiadores pueden ser rectos o corrugados, obteniéndose con estos últimos una mayor superficie de transferencia y una mayor turbulencia en la circulación. En la figura 3 se puede ver el esquema de un cambiador de calor de tubo corrugado monocanal, en el que se ve como está montada la pareja de tubos concéntricos.

Figura 3.–Cambiador de calor de tubos coaxiales corrugados.


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Estos cambiadores también pueden construirse en un montaje multicanal, como se aprecia en la figura 4. En este caso se montan varios tubos coaxiales posicionados de forma correcta por medio de cabezales que además permiten la recuperación de los dos fluidos al final de cada tramo. Los dos fluidos circulan, generalmente en contracorriente, en los canales anulares alternados formados por los tubos concéntricos.

Figura 4.–Cambiador de calor de tubos coaxiales multicanal (Alfa-Laval).

Los cabezales situados en los dos extremos de los tubos actúan tanto de distribuidores como de colectores, suministrando un fluido a un conjunto de canales y recogiendo el otro fluido de otro conjunto. La configuración corrugada de los tubos mantiene a los dos fluidos en un estado de turbulencia para conseguir la mayor eficiencia en la transmisión de calor. En la figura 5 puede verse como se unen varios tubos con los codos correspondientes para formar el montaje completo. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Figura 5.–Cambiador de calor de tubos coaxiales (D.M.).


Pasteurización

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En la figura 5 se aprecian claramente las entradas y salidas diferenciadas para los dos fluidos: unas verticales para el fluido calefactor (que circulará entre el tubo central y el externo), y otras horizontales para el producto (que circulará por el tubo central). 3.2.2. Cambiadores de superficie rascada Son unos cambiadores de calor de tubos coaxiales especialmente diseñados para el trabajo con productos de viscosidad elevada: purés, concentrados de frutas, etc. Pueden soportar grandes presiones de trabajo en el lado del producto (hasta 40 bar), de forma que cualquier alimento que pueda ser bombeado pueda ser tratado en estos aparatos. Están constituidos por dos tubos concéntricos, dispuestos casi siempre en posición vertical. El producto circulará por el espacio central, mientras que el fluido caloportador lo hará en contracorriente por el anular entre los dos tubos, que toma la forma de una camisa de calefacción. En el espacio central se dispone un rotor que monta una serie de palas solidarias que consiguen mantener en continua agitación al producto evitando además que se produzcan depósitos en la superficie de intercambio. En la figura 6 se muestra un esquema de este equipo.


Figura 6.–Cambiador de calor de superficie rascada (Alfa-Laval).


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En estos cambiadores pueden montarse diferentes tipos de rotores para ajustar su trabajo a los distintos productos y aplicaciones. Los rotores más pequeños permiten el trabajo con partículas de hasta 25 mm, mientras que los de mayor diámetro dan lugar a tiempos de residencia menores y mejoran el rendimiento térmico al reducir el espesor de producto. 3.2.3. Cambiadores multitubulares de envolvente Están formados por un haz de tubos paralelos dispuestos dentro de una envolvente o calandria. En uno o en los dos extremos de la calandria se dispone un cabezal que se encarga de dirigir el flujo de uno de los fluidos. Se colocará un único cabezal cuando nos encontremos frente a un haz de tubos en U, como en la figura 7; FLUIDO TÉRMICO

FLUIDO TÉRMICO

PRODUCTO

PRODUCTO Figura 7.–Cambiador de calor multitubular de tubos en U.

dos cabezales, como en la figura 8, cuando los tubos sean rectilíneos. PRODUCTO . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

FLUIDO TÉRMICO

FLUIDO TÉRMICO PRODUCTO Figura 8.–Cambiador de calor multitubular de tubos rectilíneos.


Pasteurización

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En estos equipos, uno de los fluidos circulará por el interior de los tubos mientras que el otro lo hará entre los tubos y la envolvente. Para los dos fluidos se podrán establecer configuraciones de paso único o multipaso. Los sistemas multipaso en tubos se consiguen adaptando la configuración de los cabezales de forma que se conecten en serie o en paralelo un determinado número de tubos. En el ejemplo de la figura 7, se han dispuesto 6 pasos para el fluido térmico que es el que circula por los tubos. Los sistemas multipaso en envolvente se consiguen disponiendo en su interior unos deflectores transversales que obligan al fluido a atravesar un número de veces determinado el haz de tubos. En el ejemplo de la figura 6 se han dispuesto 5 pasos para el producto, que es el que circula entre tubos y envolvente. En la figura 9 se puede ver el esquema de un caso particular de cambiador multitubular de envolvente.


Figura 9.–Intercambiador multitubular (Alfa-Laval).

La envolvente externa es de pequeño diámetro, menor de 50 cm, y la disposición general es muy parecida a los cambiadores de tubos coaxiales que se han descrito con anterioridad, con la diferencia de que en el interior del tubo externo que constituye la envolvente se ha dispuesto un número de tubos paralelos, por el interior de los cuales suele circular el producto. Los cabezales típicos de los cambiadores multitubulares se han sustituido por unos codos apropiados que se encargan de dirigir el flujo de producto al paso siguiente.


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3.3. CAMBIADORES DE CALOR DE PLACAS Los cambiadores de calor de placas se desarrollaron a principios de siglo (1920) para atender las necesidades de las industrias agroalimentarias, y más exactamente las de las industrias lácteas. En la actualidad son los más utilizados en el conjunto de estas industrias, donde se usan los otros tipos cuando no pueden utilizarse los de placas. Hoy en día se fabrican cambiadores de placas con tecnologías muy diferentes para dar servicio a industrias muy distintas, pero aquí se tratarán únicamente los cambiadores de placas de superficie primaria, compuestos de placas y juntas. Este tipo de cambiador está compuesto por uno o varios paquetes de placas de acero inoxidable, equipadas con juntas y colocadas una al lado de otra en un bastidor entre un cabezal fijo y otro móvil. Entre estos dos cabezales existen unos tirantes que se encargan de ejercer la presión suficiente para conseguir la estanqueidad necesaria en las juntas. Un rail solidario al cabezal fijo permite el desplazamiento de las placas para las operaciones de mantenimiento (revisión, limpieza, etc.). Esta disposición es la que le proporciona su versatilidad y a la vez la que marca sus limitaciones. La primera limitación que condiciona su uso es la presión diferencial entre los dos fluidos. En la actualidad se admiten presiones de servicio máximas de 16 a 20 bar, que son suficientes para su empleo en las industrias agroalimentarias. La segunda limitación es la temperatura máxima de trabajo, que es función de la naturaleza de las juntas empleadas. Para juntas estándar se admite como temperatura límite de utilización 150ºC, que también es suficiente para el uso en este tipo de industrias. Estos cambiadores de calor son los más eficientes para el trabajo con líquidos de baja viscosidad. 3.3.1. Tipos de placas . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Habitualmente las placas se construyen de acero inoxidable, de un espesor del orden de 0,6 a 0,8 mm. Se trata de placas acanaladas, en las que por embutido se han conseguido distintos dibujos geométricos. El dibujo y el tipo de acanaladura varía de un fabricante a otro, existiendo en el mercado más de 60 dibujos distintos. Las acanaladuras tienen por objeto esencial incrementar la turbulencia del flujo y de esta forma que sea mayor el coeficiente global de intercambio de calor del equipo, pero a la vez consiguen asegurar la rigidez mecánica del conjunto debido al gran número de puntos de contacto metalmetal que se obtienen. Las acanaladuras también marcan el camino que deben recorrer los fluidos, consiguiendo que se utilice toda la superficie de las placas sin que se produzcan caminos preferentes, asegurando así una homogeneidad en el tratamiento y un buen aprovechamiento de la superficie de intercambio. Como puede verse en la figura 10, se utilizan dos tipos de geometrías en las acanaladuras de las placas: acanaladuras rectas y en uve. Las acanaladuras


Pasteurización

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rectas son perpendiculares a la dirección principal de circulación del fluido y paralelas entre ellas. Al circular por estas placas el fluido sufre cambios continuos de dirección. En este caso se admiten velocidades de circulación comprendidas entre 0,1 y 2 m/seg.

Figura 10.–Tipos de geometrías en las placas.


Las acanaladuras en uve presentan un ángulo de inclinación con respecto a la dirección principal de circulación del fluido que caracterizará el funcionamiento de la placa. En el mercado se encuentran con ángulos de 30 y 60º. La velocidad media de circulación entre dos de estas placas es del orden de 0,1 a 1 m/seg. Las juntas van pegadas a unas ranuras alrededor de la placa y aseguran la estanqueidad de la misma frente al exterior e imposibilitan la mezcla de los dos fluidos que circulan por el cambiador. Pueden estar fabricadas en elastómeros naturales o sintéticos, elegidos de acuerdo con las condiciones de trabajo y con los fluidos que van a circular por el equipo. 3.3.2. Circulación de los fluidos por un cambiador de placas Cada par de placas adyacentes forma un canal y los dos fluidos (producto y fluido térmico) circulan por canales alternativos. Por lo tanto cada placa estará en contacto con los dos fluidos, cada uno de ellos por una de sus caras, como puede verse en la figura 11.


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Figura 11.–Circulación de los fluidos por un cambiador de placas (Alfa-Laval).

Estas características permiten una cantidad casi infinita de arreglos en la circulación de los fluidos, comprendidos entre dos casos extremos: 1. Todos los canales están alimentados en paralelo tanto para el producto como para el fluido térmico, por lo tanto ambos fluidos recorren únicamente una placa (1 paso): Producto


Montaje en Z

Fluido térmico Producto

Fluido térmico

Montaje en U

Figura 12.–Alimentación en paralelo de un cambiador de placas.


Pasteurización

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1. En este arreglo se pueden disponer las entradas y salidas de producto y fluido térmico en dos posiciones, que permiten configuraciones generales de la línea distintas: 1. • en Z, de forma que los dos fluidos entren por un cabezal y salgan por el otro. 1. • en U, de forma que los dos fluidos entren y salgan por el mismo cabezal. 2. Todos los canales alimentados en serie, tanto para el producto como para el fluido térmico, por lo tanto los dos fluidos recorren todas las placas (multipaso: tantos pasos como placas montadas): Producto

Fluido térmico Figura 13.–Alimentación en serie de un cambiador de placas.


En el primer caso se conseguirá una pérdida de carga mínima para un caudal importante y un intercambio reducido, ya que se dispone la mínima superficie de intercambio por paso. En el segundo caso se encontrará una pérdida de carga máxima para un caudal reducido y para el máximo intercambio térmico (máxima superficie de intercambio por paso). Entre estos dos tipos de arreglos caben todos los intermedios, ya tengan o no el mismo número de pasos para el producto que para el fluido térmico: Fluido térmico

Producto

Figura 14.–Arreglo con tres pasos para el producto y para el fluido térmico.


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Para determinar en cada caso cual es el arreglo más conveniente, hay que tener en cuenta cual es la pérdida de carga admisible para cada fluido, cual es el caudal necesario o disponible de cada fluido y cual es el intercambio térmico buscado. Esta flexibilidad de montaje es una de las características específicas de los cambiadores de placas, que los distinguen de todos los demás tipos de cambiadores. 3.3.3. Placas de conexión La otra característica diferencial de los cambiadores de placas es la posibilidad de montar distintas secciones en un mismo bastidor. En cada una de estas secciones se pueden realizar operaciones distintas: calentamiento, enfriamiento, recuperación de calor, etc., por lo tanto permiten utilizar a la vez más de dos fluidos sin que se presenten problemas. Esto se consigue con el empleo de placas de conexión, que se encargan de actuar como separación física de cada una de las secciones y desde las que se introducen y se extraen los distintos fluidos a estas secciones.


Figura 15.–Placa de conexión Alfa-Laval.

3.4. EQUIPOS COMPLETOS PARA LA PASTEURIZACIÓN EN CONTINUO DE LÍQUIDOS SIN ENVASAR Como se ha dicho con anterioridad, un pasteurizador completo constará de una zona de calentamiento, otra de mantenimiento de la temperatura durante el tiempo necesario para que el tratamiento sea efectivo y una tercera de enfriamiento hasta la temperatura de envasado.


Pasteurización

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El calentamiento y el enfriamiento se realizarán en los cambiadores de calor apropiados, instalándose en número suficiente para poder manejar los distintos fluidos y emplear la superficie de intercambio necesaria. Tanto el calentamiento como el enfriamiento pueden realizarse contra uno o varios fluidos. En la figura 16 se muestra el esquema de pasteurizador más sencillo: Producto

Fluido calefactor CALENTAMIENTO

Fluido refrigerante

MANTENIMIENTO

ENFRIAMIENTO

Figura 16.–Esquema del pasteurizador completo más sencillo.

Como puede verse, la zona de calentamiento consta de un único cambiador de calor en el que el producto se calienta contra agua caliente. A continuación el producto se mantiene a la temperatura de proceso el tiempo necesario antes de pasar al segundo cambiador donde se enfría contra agua a la temperatura apropiada. Con esta disposición todo el calor necesario para llevar al producto a la temperatura de tratamiento debe ser aportado por el fluido calefactor y posteriormente eliminado por el fluido refrigerante. Este sistema es energéticamente poco eficiente, ya que se está despreciando todo el calor que ha tomado el producto, sin plantear su recuperación. Sería más correcta una disposición como la de la figura 17: Fluido refrigerante . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Producto

CALENTAMIENTO

Fluido calefactor

ENFRIAMIENTO

RECUPERACIÓN DE CALOR

MANTENIMIENTO

Figura 17.–Esquema de pasteurizador con recuperación de calor.


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En este esquema las zonas de calentamiento y de enfriamiento se han separado en dos secciones cada una de ellas, al incluirse un sistema de recuperación de calor. Así, el producto de entrada se precalienta, antes de llegar a la sección de calentamiento, contra el mismo producto que ya ha sufrido el tratamiento térmico y que a su vez se preenfría antes de llegar a la sección de enfriamiento final. El producto cede una parte importante del calor que ha absorbido, consiguiéndose así un ahorro energético considerable, aunque se incremente la complejidad del equipo. Si se monta un equipo de estas características con cualquier tipo de cambiador tubular será necesario emplear como mínimo un cambiador para cada operación: recuperación, calentamiento y enfriamiento, ya que esos modelos solo pueden manejar dos fluidos diferentes. Sin embargo, si se elige un sistema de placas se podrá montar todo el conjunto en un único bastidor gracias a las placas de conexión. En la figura 18 puede verse una planta completa de pasteurización de leche que emplea un cambiador de placas.


Figura 18.–Planta completa de pasteurización de leche (Alfa-Laval).

En esta instalación el cambiador de placas se ha montado con 5 secciones separadas por 4 placas de conexión: dos secciones de recuperación de calor, una de calentamiento y dos de enfriamiento. El funcionamiento es el siguiente: La leche cruda se introduce en la primera sección de recuperación de calor, donde se precalienta contra la leche ya pasterizada que se preenfría.


Pasteurización

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Entre ésta y la segunda sección de recuperación de calor la leche cruda sufre una clarificación centrífuga. A continuación pasa a la sección de calentamiento, en la que se utiliza agua caliente llevada a la temperatura adecuada contra vapor, en otro cambiador de placas. La leche caliente pasa por el tubo de mantenimiento, tardando en recorrerlo el tiempo necesario para que el tratamiento sea efectivo. Transcurrido este tiempo llega a las secciones de recuperación, atravesándolas una tras otra hasta llegar a las secciones de enfriamiento, que en este caso también son dos. En la primera el enfriamiento se produce contra agua fría, mientras que en la segunda se consigue reducir más la temperatura de la leche pasteurizada al producirse el enfriamiento contra agua helada. Después de haber recorrido todo el equipo la leche pasteurizada está en condiciones de ser envasada. En este pasteurizador se manejan 4 fluidos diferentes que entran y salen a sus secciones correspondientes las veces necesarias. A la vez, cada sección ha sido montada con la superficie de intercambio (número de placas) necesaria para conseguir la transferencia térmica buscada. Y todo ello en un solo bastidor.

4. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS


Si se quieren pasteurizar productos envasados, ya sean líquidos o sólidos, en los que la transmisión de calor no se realizará en capa fina se tendrá que optar por procesos LTLT, para que las diferencias de tratamiento, imputables a la reducida velocidad de transmisión de calor en el interior del producto, sean mínimas porque tengan lugar a baja temperatura. En el caso de líquidos de poca viscosidad estas diferencias serán reducidas (como es el caso de la pasteurización de botellas de cerveza). En el caso de líquidos más viscosos o de sólidos (salsas en envases de vidrio o productos cárnicos del tipo salchichas) será necesario que las condiciones de pasteurización se establezcan teniendo en cuenta la dificultad con la que se transportará el calor por el interior del producto. En estos pasteurizadores el calentamiento del producto se conseguirá por inmersión o por pulverización de agua caliente. 4.1. PASTEURIZADORES POR INMERSIÓN EN BAÑO DE AGUA Se utilizan principalmente para la pasteurización de productos cárnicos. Constan de dos secciones (calentamiento y enfriamiento) formadas por unos recipientes rectangulares llenos de agua a la temperatura adecuada, que son recorridos por unos transportadores que se encargan de desplazar a los productos por el interior del baño. En el primero de ellos se produce el calentamiento del producto y el mantenimiento de la temperatura alcanzada durante el tiempo


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necesario para completar el proceso. En el segundo se produce el enfriamiento hasta la temperatura adecuada para que el producto pueda ser llevado a la cámara de conservación frigorífica. A la salida de este segundo baño se suele disponer una sección de enfriamiento por aire que a la vez se encarga del secado superficial de los paquetes. En la figura 19 se muestra el esquema del pasteurizador por baño de agua de la empresa Panini.

Figura 19.–Pasterizador Panini por inmersión en baño de agua.


Como puede verse en el esquema, la disposición de la máquina es en dos niveles, encontrándose en el superior la zona de alimentación de producto al baño caliente. Sobre este baño se han dispuesto unas duchas desde las que se pulveriza el agua que se recircula después de pasar por el cambiador de calor que la lleva a la temperatura de tratamiento. Una vez ha terminado su recorrido por el baño caliente, el producto es depositado por medio del mismo transportador en el baño frío que ocupa el nivel inferior. Como ocurría en el baño anterior también se produce una pulverización de agua sobre la superficie del baño, aunque en este caso el agua pulverizada será fría. A la salida del último baño se consigue una reducción final de la temperatura gracias a la aplicación de una potente corriente de aire. El agua arrastrada sobre la superficie de los envases se evapora al contacto con la corriente de aire, tomando el calor de vaporización del mismo producto, completándose de este modo el enfriamiento. 4.2. PASTEURIZADORES POR LLUVIA DE AGUA Cuando se deben pasteurizar productos envasados en tarros de vidrio es más apropiado emplear sistemas en los que la transmisión de calor se realiza por lluvia de agua. Estos pasteurizadores constan de un túnel calorifugado, por el interior del cual se desplazarán los envases, generalmente en posición vertical, sobre un transportador adecuado. Dentro de este túnel el producto encontrará, como ya


Pasteurización

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hemos visto para otros pasteurizadores, tres zonas diferenciadas: una primera zona de precalentamiento, una zona central de pasteurización y por último una zona de enfriamiento. Esta disposición permite que el precalentamiento se realice con el calor cedido por el producto en el enfriamiento, por lo que la eficiencia energética de estos sistemas es muy elevada. En la figura 20 se muestra el sistema de recuperación de calor empleado por estos pasteurizadores.

Figura 20.–Esquema de la recirculación de agua en un pasterizador por lluvia.


El pasteurizador está dividido en 8 secciones: tres para el precalentamiento, dos para la pasteurización y tres más para el enfriamiento. La recirculación del agua se ha planteado de forma simétrica. La recogida en la última sección de enfriamiento se bombea a la primera de precalentamiento, la que proviene de la penúltima llega hasta la segunda, y la que se toma en la primera sección de enfriamiento se lleva a la última de precalentamiento. Estas mismas secciones están unidas en sentido inverso, por lo que se forma un circuito cerrado en cada una de ellas. La zona de pasteurización está dividida en dos secciones: una de calentamiento y otra de mantenimiento, en las que también se recircula el agua. La calefacción se aplica en los recipientes en los que se almacena el agua después de ser pulverizada y antes de ser bombeada, y se puede realizar por inyección de vapor directo o por intercambiador de calor. Unicamente se calientan las dos secciones de pasteurización y las dos primeras de enfria-


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miento. El calentamiento de estas últimas (antes de ser bombeada el agua hacia las correspondientes secciones de precalentamiento) se hará únicamente cuando se deba complementar el calor cedido por los envases al enfriarse para llevar al agua a la temperatura necesaria. Con un sistema de este tipo se obtiene una evolución de la temperatura en el interior de los envases como la que puede verse en la gráfica 3.

Gráfica 3.–Diagrama de temperatura en el interior de un envase. . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Puede observarse que tanto el calentamiento como el enfriamiento se producen sin que tengan lugar choques térmicos. El consumo de agua de estos equipos es prácticamente nulo (solamente el arrastrado por los envases, que se puede minimizar con el correspondiente escurrido) y el consumo energético muy reducido, ya que la recuperación de calor es muy eficiente.


CAPÍTULO SEXTO

Escaldado 1. OBJETIVOS


Se entiende por escaldado un tratamiento térmico de corta duración y a temperatura moderada. Generalmente consiste en mantener el producto algunos minutos a una temperatura próxima a 95-100ºC. El escaldado no es un sistema de conservación en sí mismo, es una operación previa de suma importancia en los procesos de conservación por calor de productos envasados (apertización), congelación y deshidratación de productos sólidos. Sus objetivos dependerán por ello de cual es el proceso global en el que se incluye, como puede verse a continuación. Los objetivos del escaldado previo a la apertización tienen que ver primordialmente con el proceso de envasado, con este calentamiento previo se pretende conseguir en primer lugar la eliminación de los gases ocluidos en los tejidos de los productos para: • que se incremente la densidad del producto y no flote en el líquido de gobierno. Es imposible envasar un producto que tenga una densidad inferior a la del líquido de gobierno ya que, al añadir este último, el sólido flotará y se verá desplazado fuera del envase. • que la presión en el interior del envase durante la esterilización coincida lo más exactamente posible con la de saturación del vapor de agua a la temperatura de proceso. La presencia de otros gases produciría un incremento en la presión interna que obligaría a la utilización de envases más robustos, contrapresiones más altas o que haría saltar los cierres. • que la concentración de oxígeno residual en el interior del envase sea mínima, para impedir la oxidación del producto y la corrosión de la lata durante su vida comercial. Además, con el escaldado se incrementa la flexibilidad de los productos, lo que permite su manipulación más segura en el momento del envasado, redu-


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ciéndose las roturas y consiguiéndose un mejor aprovechamiento del volumen del envase. En algunos casos particulares el escaldado ayuda a eliminar falsos gustos del producto y a fijar algunos colores. En el caso de la congelación y de la deshidratación el objetivo primordial del escaldado es la inactivación enzimática ya que, al contrario de la apertización, estos dos sistemas de conservación no son capaces de controlar por sí mismos la acción de las enzimas, que de otra forma seguirían actuando, produciendo modificaciones en el color, aroma, componentes nutritivos como las vitaminas, etc. En la congelación también es importante la acción del escaldado frente a los gases ocluidos en los tejidos, que se eliminan antes de que comience la cristalización reduciéndose de forma importante los fenómenos de oxidación. Por lo que respecta a los productos deshidratados, el escaldado mejora también la rehidratación posterior, ya que se modifican las propiedades de los tejidos.

2. PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS DE ESCALDADO


Ya se ha dicho anteriormente que este proceso consiste en el calentamiento del producto durante un tiempo corto a una temperatura próxima a los 95100ºC. Este calentamiento tendrá los efectos de cocción que ya se apuntaron en el Capítulo IV y se verán con más detenimiento en el VIII, entre los que el ablandamiento de los tejidos es uno de los objetivos buscados. Sin embargo, el escaldado podrá tener también otros efectos sobre el producto que dependerán del sistema elegido para aplicar el calor. Los medios de calefacción más usuales son el vapor de agua y el agua caliente, ambos a una temperatura próxima a los 100ºC. Cuando se emplea agua caliente es fácil de imaginar que el escaldador actuará como un extractor sólido-líquido, dando lugar en el producto a pérdidas de materias solubles: proteínas, azúcares, sustancias minerales, vitaminas, etc. que disminuirán su valor nutritivo, pasando al agua e incrementando la carga contaminante de los vertidos de la industria. A la vez, el escaldado con agua tiene un efecto beneficioso de lavado que no se consigue cuando se utiliza vapor. Desde el punto de vista bacteriológico también se presentan diferencias importantes entre los dos sistemas, el reciclado del agua en los sistemas de escaldado por este medio puede llevar, si no se toman las debidas precauciones, a la selección de una flora bacteriana termófila que contamine el producto a su paso por el equipo y que complique el proceso de esterilización posterior. En lo que concierne al consumo energético, el escaldado puede ser responsable de una parte muy importante de la energía consumida en la industria. En la fabricación de conservas vegetales el escaldado puede llegar a


Escaldado

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consumir del 30 al 40% del total de la energía empleada. Este consumo tan importante se debe a la reducida eficiencia térmica de los equipos de escaldado. Si calculamos las necesidades energéticas teóricas de este proceso por medio de un balance, encontraremos que el consumo específico de vapor es moderado: aproximadamente 0,133 kg vapor/kg de producto, muy inferior al consumo real de los distintos sistemas de escaldado. El resto de vapor usado en los procesos industriales constituye el conjunto de pérdidas imputables al diseño de los equipos. Los sistemas de escaldado por vapor son los que obtienen una menor eficiencia energética, en un escaldador de vapor convencional, al que no se le hayan aplicado medidas correctoras, se puede perder cerca del 95% del vapor consumido. Estas pérdidas se reducen hasta el 70% con diseños estudiados para que el tratamiento se realice en una cámara no estanca (no se quiere que la presión sea superior a la atmosférica) y que sin embargo se controlen los escapes de vapor. En los sistemas que emplean como medio de calefacción el agua caliente, las pérdidas de calor son menores, por lo que en los casos de peor eficiencia energética se pierde del orden del 60% de la energía consumida. Cuando se aplican diseños especialmente concebidos para evitar estas pérdidas, las pérdidas de calor se reducen por debajo del 40%. De lo dicho anteriormente se deduce que la elección del sistema de escaldado debe hacerse cuidadosamente, teniendo en cuenta las exigencias del producto, el sistema de conservación que se le va a aplicar con posterioridad, y el consumo energético de cada uno de ellos.

3. EQUIPOS EMPLEADOS EN EL ESCALDADO 3.1. ESCALDADORES POR VAPOR . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Los escaldadores por vapor menos evolucionados consisten en un simple túnel de unos 15 metros de longitud, donde se introduce el producto sobre un transportador de cinta, generalmente de acero inoxidable. La calefacción se consigue por medio de vapor de agua saturado, a una presión próxima a la atmosférica, que se inyecta en el interior del túnel por una serie de boquillas distribuidas en toda su longitud. El tiempo de permanencia del producto en el interior del equipo se controla regulando la velocidad del transportador. El rendimiento energético de estos equipos es muy bajo, ya que las pérdidas de vapor que se producen, principalmente en la entrada y salida de producto del túnel, son muy elevadas y apreciables a simple vista. Para evitar estos escapes de vapor se han propuesto varias soluciones, que dan lugar a diseños diferentes del escaldador.


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3.1.1. Escaldadores por vapor con cortinas de agua En este diseño, los escapes de vapor se controlan por medio de unas cortinas de agua dispuestas en los dos extremos del túnel, como se muestra en la figura 1. Vapor

Agua

Agua

Producto

Drenaje Figura 1.–Escaldador por vapor con cortinas de agua.


Las dos cortinas de agua actúan como cierre impidiendo que se forme una corriente de vapor que escape al exterior de la máquina, lo que mejora la eficacia térmica del conjunto, sin embargo el efecto de cierre no es perfecto y las cortinas de agua producen la condensación de una parte del vapor que no se utiliza para el calentamiento del producto. Este sistema mejora ligeramente la eficiencia del escaldador por vapor y exige como contrapartida un consumo adicional de agua. 3.1.2. Escaldador por vapor con cierres hidráulicos Este diseño mejora los resultados del que hemos visto anteriormente, ya que en lugar de cortinas de agua se han dispuesto dos cierres hidráulicos, uno a la entrada y otro a la salida del túnel que se encargan de impedir los escapes de vapor, como se aprecia en la figura 2. Los cierres hidráulicos están dispuestos de forma que, aunque impiden el escape del vapor, pueden ser atravesados por el producto al entrar y salir de la máquina. El diseño se mejora si los cierres se convierten en secciones de precalentamiento y preenfriamiento, haciendo circular el agua del cierre de salida al de entrada recuperando así parte del calor que lleva consigo el producto al abandonar el escaldador.


Escaldado

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Vapor

Producto

Figura 2.–Escaldador por vapor con cierres hidráulicos.

La mejora conseguida por este diseño es sustancial, aunque la complicación mecánica que implica es también importante. 3.1.3. Escaldador en lecho fluidizado


En estos equipos el sistema de puesta en contacto del medio de calefacción con el producto es completamente distinto. Se elimina la cinta transportadora, que se sustituye por una corriente ascendente formada por una mezcla de vapor de agua y aire a 95ºC de temperatura y a una velocidad de 4 a 5 m.s –1, que consigue el calentamiento y la fluidificación del producto. De esta forma se logra un excelente coeficiente superficial de transmisión de calor que permite un calentamiento del producto muy rápido: 45 segundos para el caso del guisante. La mezcla de vapor-aire se recicla en circuito cerrado, por lo que las pérdidas son moderadas. A la hora de evaluar la eficiencia energética de este equipo hay que considerar, además del consumo de vapor que se produzca, el de la energía a suministrar a los ventiladores para alcanzar la fluidificación. Este sistema es, lógicamente, solo aconsejable para el tratamiento de productos de pequeño tamaño. 3.2. ESCALDADORES POR AGUA En este caso, el sistema que podríamos llamar convencional consiste en introducir el producto en un tanque con agua, que se mantiene a la temperatura adecuada, y hacerlo permanecer en el baño el tiempo necesario para que se complete el tratamiento. Dentro del tanque se dispone un tambor perforado coaxial que gira lentamente consiguiendo la agitación y el transporte del producto gracias a unas guías internas helicoidales (figura 3). El tiempo de permanencia del producto en el baño se regula por la velocidad de rotación del tambor.


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Figura 3.–Escaldador por agua Marrodán (Lodosa).

La calefacción del agua se consigue por inyección directa de vapor, y es necesario mantener su nivel, por adición continua de agua fresca, ya que una parte del agua de tratamiento es absorbida y arrastrada por el producto. Este sistema de calentamiento de agua tiene una eficacia térmica muy baja, ya que una parte del vapor inyectado se pierde antes de haberse condensado. Por lo tanto, y con el fin de limitar el consumo energético, se han desarrollado sistemas de calentamiento por cambiador de calor en los que se consigue la completa condensación del vapor empleado, como el que puede verse en la figura 4. Escaldador Agua fría . d e v r e s e r s t h g i r l l A . a s n e r P i d n u M . 3 0 0 2 © t h g i r y p o C

Cambiador de calor

Bomba

Condensado Vapor Figura 4.–Calentamiento del agua de escaldado por cambiador de calor.


Escaldado

191

Con este sistema de calefacción se incrementa la necesidad de aportar agua al circuito, ya que no se incorporan al baño los condensados del vapor de calefacción. El peligro de esta instalación es evidente: al no existir una inyección directa de vapor es más fácil la implantación de una flora termófila, por lo que se deberá incrementar las medidas de control microbiológico del agua de escaldado. En el escaldado, como en todos los tratamientos térmicos, la aplicación de la temperatura de trabajo debe hacerse durante un tiempo definido. Es decir, que en un determinado momento el producto deberá enfriarse hasta una temperatura suficientemente baja para que no tenga ningún efecto sobre el alimento. La sección de enfriamiento de los escaldadores puede disponerse como un simple sistema de disipación del calor o puede integrarse en el mismo equipo empleándola como un sistema de recuperación de energía. La disposición general de los escaldadores por agua con recuperación de energía es similar a la que se ha visto en el Capítulo V para los pasteurizadores. Están formados por: una sección inicial de precalentamiento, una intermedia de escaldado y otra final de enfriamiento, por las que el alimento se desplaza sobre una cinta transportadora, bajo las duchas que pulverizan el agua de tratamiento sobre él. En la figura 5 se puede ver la disposición de dos baterías de duchas de un escaldador Cabinplant con recuperación de calor.


Figura 5.–Disposición de las duchas en el escaldador Cabinplant.

En la figura 6 puede verse el esquema completo del escaldador Cabinplant IBC. La sección de enfriamiento del escaldador se alimenta con agua fría que, al ir pulverizándose en contracorriente sucesivas veces sobre el producto, va calentándose al tiempo que el producto se enfría. Al concluir la sección de enfriamiento, este agua que ha alcanzado su máxima temperatura se bombea al final de la sección de precalentamiento, por la que seguirá circulando a contracorriente pulverizándose esta vez sobre el producto frío, que se va precalen-


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tando a la vez que el agua se enfría. En la sección central, de escaldado, el calentamiento se produce en circuito cerrado con agua llevada a la temperatura de trabajo mediante vapor. De esta forma, en el precalentamiento se transfiere al producto casi toda la energía que ha sido necesaria para el escaldado, por lo que el consumo de vapor en la zona de calentamiento es muy reducido.

Figura 6.–Esquema del escaldador Cabinplant IBC.

Como se ve en la figura 6, las secciones de precalentamiento y de preenfriamiento están compuestas por compartimentos a los que llega el agua bombeada del comportamiento inmediatamente posterior después de haber sido pulverizada sobre el producto, consiguiéndose así una circulación del agua en


Figura 7.–Escaldador Cabinplant BAC.


Escaldado

193

contracorriente al producto de forma escalonada, asegurándose que en cada puesta en contacto del agua con el producto existe el necesario salto térmico para que se produzca la transferencia de calor calor.. Si se pretende un consumo menor de agua se puede optar por el escaldador cuyo esquema está representado en la figura 7. En este caso el enfriamiento se consigue mediante una corriente de aire perpendicular al flujo de producto, que produce la evaporación del agua que moja la superficie del alimento, que para ello debe tomar el correspondiente calor latente de vaporización. Se consigue así que el producto reduzca su temperatura hasta 20-28ºC, de acuerdo con la temperatura y humedad del aire utilizado en cada caso. Con este sistema se consigue reducir el consumo de agua en un 75% a la vez que se evitan más del 50% de los vertidos.



CAPÍTULO SÉPTIMO

Esterilización 1. OBJETIVOS


Se entiende por esterilización el tratamiento térmico, aplicado generalmente a productos poco ácidos en los que pueden desarrollarse bacterias esporuladas, cuyos fines son eliminar los riesgos para la salud pública y que el producto sea suficientemente estable para permitir un almacenamiento de larga duración a temperatura ambiente. La salud pública se s e garantiza, como ya se ha visto en el Capítulo IV, IV, con un tratamiento que consiga 12 reducciones decimales para el Clostridium botulinum, lo que obligará a trabajar a temperatura mayor de 100ºC para que el tiempo de proceso sea razonablemente corto. El segundo objetivo, la estabilidad a temperatura ambiente, exigirá que el tratamiento térmico se haya ajustado a la bacteria esporulada presente más termorresistente y a la temperatura a la que se espera almacenar el producto hasta su comercialización. Por lo tanto, y al contrario de la pasterización, la esterilización será un tratamiento de alta intensidad, realizado a temperatura superior a 100ºC que conseguirá una suficiente destrucción de las floras patógena y banal, incluyendo las formas esporuladas, para que queden garantizadas la salud pública y la estabilidad del producto almacenado a temperatura ambiente. Es evidente que un tratamiento realizado en estas condiciones tendrá un efecto sobre las cualidades organolépticas del alimento mayor que la pasterización, luego las condiciones del tratamiento (tiempo y temperatura) deberán ajustarse también de acuerdo con el efecto de “cocción” admitido o buscado. El proceso de esterilización se puede aplicar a los alimentos antes o después de su envasado, requiriéndose en cada caso tecnologías diferentes, como se explica en los apartados siguientes.


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2. ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS Esta opción fue ensayada por primera vez por Nicolas Appert en el siglo XIX, que consiguió la elaboración de conservas estables envasadas en tarros de vidrio sellados. Esta es la razón de que, habitualmente, el tratamiento térmico de productos envasados en tarros de vidrio o en botes de hojalata se denomine “apertización”. La esterilización de los alimentos envasados exige unos tratamientos previos, antes del cerrado del envase, para que la apertización se desarrolle en las condiciones adecuadas. Si los productos a tratar son sólidos se deben escaldar para conseguir eliminar el aire ocluido en los tejidos y para que la operación de llenado del envase sea más sencilla. Cuando se trate de sólidos de pequeño tamaño o troceados, el envase se llenará de un líquido de cobertura caliente para conseguir eliminar el aire presente, manteniendo así durante el procesado térmico la presión interna muy próxima a la del vapor de agua saturado y mejorando, al mismo tiempo, la transmisión de calor. Dependiendo de la producción exigida, será razonable plantear un sistema por cargas o en continuo. 2.1. SISTEMAS DE ESTERILIZACIÓN POR CARGAS


Se elegirá un sistema por cargas cuando la fábrica produzca un número considerable de alimentos distintos, en envases diferentes y de tamaños variados, ya que solamente los sistemas por cargas tendrán la flexibilidad suficiente para responder de forma eficiente a las variaciones de tiempos y temperaturas de proceso que exige este tipo de trabajo. La esterilización por cargas se realiza en un autoclave que es un recinto, generalmente de forma cilíndrica vertical u horizontal, capaz de soportar una presión interna mayor que la atmosférica, en el que se colocan los envases a tratar (generalmente en unas cestas o jaulas) y que dispone de los adecuados sistemas de calefacción, de enfriamiento y de control del proceso para que éste se realice en las condiciones apropiadas. La primera operación a realizar será depositar los envases llenos de producto escaldado, cerrados en caliente para eliminar el aire interno, en las cestas o jaulas. A continuación se colocarán estas cestas en el interior del autoclave y se procederá a cerrar su puerta. El paso siguiente será el de llevar el autoclave, cestas y envases a la temperatura de proceso y mantenerla constante durante el tiempo necesario. Transcurrido este tiempo se enfría todo el conjunto hasta una temperatura próxima pero superior a la ambiente (40ºC), se abre el autoclave y se descargan las cestas. En el mercado se encuentra un gran número de autoclaves, de tecnologías muy diferentes, en los que se puede llevar a cabo un proceso como el descrito en el párrafo anterior. Para sistematizar el análisis de estas máquinas se han ordenado por el tipo de calefacción que usan, ya que ésta condiciona en gran


Esterilización

197

medida sus demás características constructivas, su operación y los productos para los que pueden utilizarse. 2.1.1. Calentamiento por vapor de agua saturado


El primer autoclave calentado por vapor saturado, producido por una fuente externa, fue inventado por A.K. Shriver en 1874, y operaba por cargas. Sin embargo, el uso de marmitas herméticas calentadas por una fuente de calor externa (leña o carbón) en las que la presión interna se elevaba por encima de la atmosférica gracias a la presión de vapor del agua depositada en su interior, es muy anterior; aunque su utilización hasta el siglo XIX fue muy peligrosa por la tendencia que demostraban esos recipientes a explotar. Desde esas fechas hasta nuestros días se han diseñado, construido y empleado una gran cantidad de autoclaves que han operado con vapor de agua saturado, libre de aire, como fluido calefactor. Los autoclaves de este tipo, empleados por la industria conservera, suelen ser de sección circular y pueden estar dispuestos en posición vertical u horizontal. Los envases se colocan en cestas, de geometría apropiada para el autoclave y de algo menos de 1 m3 de capacidad, dejados caer en ellas de forma desorganizada, o bien organizados en capas (con o sin separadores). Los autoclaves verticales tienen una tapa superior por la que se introducen las jaulas. En los autoclaves horizontales la puerta es frontal y las cestas se introducen sobre ruedas. En todos ellos el enfriamiento se realiza por inmersión de las cestas en agua fría, ya sea dentro del mismo autoclave o en un recipiente exterior colocado en su proximidad. Estos autoclaves son máquinas relativamente sencillas de construcción, por lo que existe un número importante de fabricantes en todos los países que tienen una industria conservera desarrollada. Posiblemente el tamaño más utilizado sea el de una cesta, aunque también se producen de dos y tres cestas, fabricándose generalmente estos últimos en posición horizontal, ya que la posición vertical para más de dos cestas complica la operación y compromete la homogeneidad del tratamiento térmico. En la figura 1 se muestra el esquema de un autoclave vertical. Estos equipos constan fundamentalmente de: • Una entrada de vapor (1), con un sistema de distribución del mismo en el interior del autoclave (2) que asegure una buena homogeneidad de la temperatura. • Unos sistemas de purga (3) que consigan evacuar todo el aire existente en el equipo antes de la puesta a presión. • Un sistema de desagüe (4) para eliminar los condensados y el agua de enfriamiento. • Un sistema de entrada del agua para enfriamiento (5), cuando este enfriamiento se realice en su interior.


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• Unos sistemas de control y medida: válvula de regulación de vapor (6), termómetro (7) y registro de temperatura (8), manómetro (9), válvulas de seguridad, etc. 8 3

4 9

7

3 2

6 4 5

1

Figura 1.–Esquema de autoclave vertical calentado por vapor de agua saturado.


La operación con estos autoclaves, como con cualquier otro sistema de esterilización de los que se describen más adelante, debe asegurar la homogeneidad del tratamiento aplicado al lote de envases que se encuentra en su interior. Esta homogeneidad se conseguirá cuando los factores de que depende la temperatura del centro térmico del alimento envasado se mantengan constantes en cualquiera de las posiciones dentro del recinto. Los factores más importantes a considerar son la temperatura y el coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente de película). En el caso de calefacción por condensación de vapor de agua saturado, el coeficiente de película que se alcanza es muy alto: 15.000 W.m-2.°K –1, y la temperatura será constante (la correspondiente a la presión de trabajo) siempre que el punto considerado esté en contacto con vapor de agua. Por lo tanto, si se pretende que el tratamiento sea homogéneo, se debe conseguir que la superficie de todos los envases dispuestos en el interior del autoclave esté en contacto con vapor de agua condensándose. Esto quiere decir que se debe eliminar todo el aire presente en el interior del recinto en el momento de iniciar la operación. De acuerdo con lo dicho en el párrafo anterior, cada autoclave debe disponer de un eficiente sistema de venteo que asegure la eliminación de todo el aire


Procesos de Conservación de Alimentos (2a. Ed.) ---- (Pg 6--189)

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