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TECNOlOGIA DE LOS ALIMENTOS VOL UMEN I COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS Y PROCESOS
PROYEcrO EOITOFUAl.
CIE..~Cl.4,S QUÍMlCAS
Director: Guillumo Callf:)C Pardo
ÁreIU de publicaci6!1..:
TECNOLOGÍA BIOQuíMICA Y DE LOS ALlMEl'ITOS CoordifI(Jdor: José Aguado AloMO
,
TECNOlOGIA DE lOS ALIMENTOS VOLUMEN I COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS Y PROCESOS Juan A. Ord6ñez Pereda (editor) María Isabel Cambero Rodríguez Leónides Fernández Álvarez
María Luisa Garcia Sanz Gonzalo Q. Garcia de Ferna:1do Minguillón Lorenzo de la Hoz Perales María Dolores Selgas Cortecero
Resel'\'ldoJ lodos 101 de,~ehos. E.I I' pro~ibldo. bljo la.! uncion", pcntlu y el ¡esarcimi<:nto ci.'¡ Fre'is;os en ia.!le)'i'$.. l"C;:o.v,Jo.:-=::. ~¡lS:ar o IO,M¡;¡i:ir ~ publi :X::~I!. !:::. ¡u o ¡)IIeIJme~t:; PO' c:ualc¡u,ef SlSteml de f«l!pcfK!Ón y por eu'lquier medIo. Sca mecilllco. c!ecuónta:l. m.ognboco. rlCClrOÓpti<:ll. por fotoc.opll por tUllo,uier otro. SI" I1 I"toflt.lci.,i" p.e";a ¡JOr e..:rito de Elilloril.! Sinlests. S. A.
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Cl J\I.In A. O,dóAn Pueda (editor) Cl EOTTOR!ALSiNTESIS. S. A. VaU~hum
T,,¡¿t.: 9\ 593 20 98 hit p:J""-.... n1"'; 1.000m
Depósito
~III:
M.20j78-\998
[SBN:84·nJ&-j7~
ISB'I oba <::lr..?!~:.a:
~n)8..5n.7
íNDICE PROLOGO
II
CO:-.lCEP'TO y OBJETIVOS DE LA TECNOlOGt.-\ DE LOS ALI\otENTQS
1.1. D~5al"i\)lIo histórico .................................. _............ ,.... ,.... ,........... 1.2. Alim;:ntos y nutrientes .... ,............................................................................. 1.3. Conc.:plo de Ctencia y To!cnologia de los Alimentos .................................
14 18 19
1.4. Objetivos de la Tetnolügfa de [os Alimentos . ...........................................
20
•
2. AGUA
2.1. Introducción
24
2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7.
24 24 26 27 28 19
2.8. 2.9 2.10.
2.t t.
Constantes físicas del agua y del hie lo ......................................................... La mol¿cu[a de agua .. _................................................................ ................... Estructura del hic:lo y del agua ... .................................................................. Proptedad~s disolventes del agua ................................................................ , !me ra.::iones del agua con sustancias apolares ........................................... Efecto de lo. salutos e n [a estructura del agua ........................................... Efecto de los solutos en la estructura del biela ........................................... Actividad de agua ........................................... ............................. ................. !30 te rrnas de iOrción de agua ............................................... _....................... Aphcación de las Isotermas de sorción en Tecnologia de los Alimentos.
29 29 32
35
3. LlplDOS 3.1. Introd'Jcción ................................................. ......... ....................................... . 38 ..:\C\dO$ ps.J~ lic k>$ z.!i!!1-ent(;s ................................................................... .. 39 3.2.1. Ácidos grasos saturados de cadena lineal .................................... .. 39 3.2.2 . Ácidos grasos insaturados de cadena lineal ...... ........................... .. 40 3.3. Carac!enstic.1.S de los glicéridos .................................................................. . 41 3.4. Características de los fosfo lipidos ............................................... ;................ . 42 42 3 S. Fracción ¡nsaponlficable ................................................................. .. 43 Propiedades físicas ........... .................. ........................ _ ................................. . 3.6. 3.6.1 Polimorfismo ................................................................................... .. 43 3.6.2. Punto de fusión ........................................ _........................................ . 44 3.6.3. Viscosidad ........................................................... ............................... 4-:
3.6.4. 3.6.5 3.6.6. 3.6.7. 3.6.8.
Calor específico ............................... _..................... _...... _.............. _
Ctlo, lat~llt!
~
r.!S.l6:é; ____ .....• _.... __ ......... _.......... _ ........•.........
(ndlCe de refracción _..............................................................:......... Densidad ... _..................................................................................... . Solubihdad .. ........ .......................................................................... : .6.9. ?!!.Sti:::~a~ ....................................................................................... . ~.7. T:i!.ta:::::.i~::.tcs d~ !:'Ioci!:::..a:ij •• de !a.s g;asas ............................................. .. 3.7.1 HldroJenación ............................................................................... . 3.7.2. T.a.asesterific¡ción (interes¡erificacióll) ._ .... _..... _...... _............. .. 3.7.3. Fraccio namiento ................................................. _.............. _............. . 3.8 Enranciamiento lutooxidativo ....... _....................... . 3.8.1. Relcciones de oxidación de los lípldos.. . ............................. . 3.8.2 FaCtores que mteMeot:D ce la oXIdación de los ¡(pidas de los a.limentos .......... ............................ . ................ . 3.9 Reversión dei sabor. .... ........... ................ .... ....... ........................................... - ............ . 3 10 Anlio xidante$ 3.10.1. Antioxidantes tipo 1 .................................................. _.................... .. 3.10.2. AntIoxidante tipo 11 ...... _............................. _.................. ,_ .......... . 3.10.3. AntioxIdantes tIpO ni ................................................ 3.11 Enranciamiento hpo lrtico ........... ...................... ....... ............................... .
"'545 45
46
., 47
50 50 50
"'4 54
SS 5ó 57 57
4 PROTE.t~AS
4 1. Introdutt¡ón. . ....... . ................................................. ......................... . 4.2_ Propiedades funcionales de las proteinas ................................................. . ~
4.3 Propiedades de tlidratación ....................... _. _...... _....... _.. _..................... . ............................................ ............... 4.4 Solubilidad ..... . ........... ...... 4.5 Viscosidad ...... .. 4.6. Geli[icación ........................... . 4.7 Formadón de pastas proteicas ....................... ........................................... . 4.8. Texturizadón ................. _............ ................... ....................................... ........ . .. ... ,_ ............................ . 4.' Propiedades surfactantes de las proteinas ... 4.9. 1. Propiedades emulsio nantes .................... ,.................................. . 49 2. Propiedades es?'.!rn!.ntes ................... .. ................... . 410 Fijación de aromas ............... _... _................................ ...................... . 4.11. Mocllficaciones en tas propiedades funcionale5 de las proteínas sometidas a procesos tecnológicos. ......................... ....................... .
60 60
61 62 64
65 66 67 68 69 71 73
5. CARBOHIDRATOS ........................................................................ . '.1 Introducción ..... . 52. Clasificación de los carbo hidratos ................ . ..................................... .. 5.2.1. Mo nosacá ridos ............ " .................................................................. . ............................... ,_ ~_ ....................... .. 5.2.2. Ohgosacáridas 5.2.3. Pohsacáridos
78 78 78 79 79
índiC' 5.3. Propiedades fisicoquímicas y sensoria.leJi de los mooosacáridos .............. . 5.3.1. Hlgroscopicidad .............................................................................. .. 532. Mutarrotación ................................................................................... 5.3.3. Estado vítreo ..................................................................................... . 5.3.4. Cristalización .................................................... ,............................. .. 53.5. inversión de los azúcares ................................................... ,............. . 5.3.6. Poder edulcorante ............... ............................................................ . 5.4. Propiedades fu:l ci,:¡r;.a!es de los polisacáridos ............................................ .. 5.':.1 50lubilidad ...................................... _................................................ .. 54.2, Hidrólisis de los poltsacáridos ................................................... . 5.4.3. Viscosidad ....................................................................................... , 5.4.4. Capacidad de form~ geles .......................................................... . 5.5. TransiollT)adones óe los Ca!OOhld r3tos por acción ¿el calor ................ .. 5.5.! CarameEzacióo .......... _...... _.. _................................... _.. _.......... 5.5.2, Pardeamiento no eDZlmátlco .............................................. .. 5.6. Principales po!isacárido$ ........................... ,................................. . 5.6.1. Almidón ................................................. .. ................. ... 5.6.2. Glucógeoo .................................................................................... .. 5.6.3. Celulosa ................... _.............. _......................................................... .. 5.6. 4. Hemicelulosas ....... ,~ ................................................ ,........................ . 5.6.5. Ciclodextrinas ..........................~................................... .................... .. 5.6.6. Sustancias ptcticas ..........................................................: ............... . 5.6.7. Gomas ................................................................................. .............. ..
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80 80 SO
8l 82 82
83 8J 84
85 85 86 91 91 94 94 95 95 95 9?
98
5.7. Fibra 6. VITAMI NAS. MINERALES Y ENZIMAS
102 61. VitamInas y minerales .............................................................................. .. 102 Pérdida de VItaminas y minerales en 10$ alimenlOs procesados ............. .. 6,2, 62.1. Vitaminas hldrosolubles ....................................... .. 6.2.2. Vitaminas liposolubles ........................ .................... ..... ............. . 6.2.3. Minerales ....... ........ ... .............................. . 6.2.4. P~rdlda de vitaminas durante el almacenamiento .... . 6.3. AdiCión de nutrientes a 10$ a!tmemos ..................................................... .. 6.4. Enzimas ......................................... . ............................................................ . 6.4.1. Enzi mas endógenas en los alimen tos ,............................. .. 6.4.2. Utilidad de las enzimas en Tecnología de los Alimentos ........... . 6.4 .3. A plicación de enzimas exógenas en la elaboración de alimen tos 6.4.4. EnZimas inmovilizadas .................................................................. .. 6.4.5. ¿Enzimas libres o inmovilizadas? ............ .. ....................... .
105
112
11' 115
115 116 116 118
118 12! 126
7. ALIMENTOS FRESCOS 7.1 Al teración de los alimentos frescos ................... ..
130
;.2. Estratesils d!!a cC:lse:-.ad6:: de los alimentos ....................................... .. 131
7
Tecno~¡CI de
lo! Alimentos.
ro Comf'O'lfl1lleJ d.toJ o/imettlos y ~ocesOI
7.3 Estrategias de la transformación de los alimen tos .................................... 132
8 CONSERVAC¡Ó:-'; POR i.:.L CALOR 8.1
138
IntroducciÓn
82. Componamlento de nucroorgamsmos y enZlmdS frente a la temperalUra 8.3. Cméllca de la
de~trucción d~
los microo;-ganismos por el calor.
139 141 14:;
84 TeíTIlorresi)!eilCia de los microoigJ;:isiTlos
85 ValorF ........................... . 8.6 fralamientos térmiCOS aplicados en la práclica 8.7. Tipos de uatamientosterrrucos .... 8.7.1. Esterilización B.I.Z. Pasterización 8.7.3. T.::miza.:ijn
138
... ...• ...
1: 4 146 146 15 1 15~
9. UTILIZACIÓN DE RADIAC IONES ELECTROMAGNÉTICAS Ei'I LA r.-lDUSTRIA AL IMENTARIA IRRADIACiÓN DE ALI~tENTOS RadiaCIones electromagnéticas en la Industria Alimentaria ................... . Radi:!cicr..~s e1ectromagnétic3s no ¡onizantes ................. . ............... . 9 2.1. Radiación Infrarroja ........................................................... . 9.2.2. Radiación microonda .............................. ..... .............. ... 92.3 Calentam ien to dteléc\nco ...... ...... ........ ................................. . 9.2.4. Calentamiento 6hnuco ........................ ... ..................................... . 9.2.5. C:!.!ent:!miento p.:lr inducción ........................... . de alimentos ..... ..... . ............................................ . Irradiación 9.3. 9.3.1. Efecto químico y biológico de la irradIaciÓn ............................... . 9.3.2. Efecto en la calidad nUlrlcional y en las características orga!'".oI~jlli::.lS d~ los ah1.l~:'ltos . .............................................. . 933. Aplicación en la Industria Atimentan a ..................: ..................... . 9.3.4. Fuentes y planta de radiaciÓn .................................................. ..
9.1
92
156 156 156 161 173 174 177
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10. CONSERVAC iÓN POR FR lo 10. 1 Inl raducción ............................................................................................... 10.2. Conceptos de refrigeración y congelación .................................... . 10.3. Refrigeración y almacenamiento en refrigeración .................................... . 10.3.1. Efecto de la refrige ración en la velocidad de las reacciones químicas y enzimáticas y e n el crecimiento de los microorganismos ... 10.3.2. ImportancIa de las caracteristícas del alimento ............................ . 10.3.3. Factores que hay que controlar durante el almacenamiento en re (rige ración ................................................................................ . 10.:;4. Caractensltcas ci~ ¡os ailmemos reirig.:rados .................. . 10.:.5. Otía.. apli::acioa~s de la te!.-:5ei"ac:ón .
19'
194 195 195
197 198 200
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10.4. Congelación y almacenamiento en congelación ....................................... . 10.41. Teoría de la cristalización .. .. ...... ............ ......... . ............ . 10.4.2. Curvas de congelación .................................................................... . IOA3. Modificaciones que se producen en los alimentos durante su congelación. Efecto sobre las reaccion::s c;.t!::::::.lS y ~::!:má:;c;;5 .......................................... :........................ . ID.';.!. E~ec;;) c!!.;. .:.:;¡;ge!a':;;;;l e;"! 10$ r;;ieooorganis;aos ........................ . 10.4.5. Modificación de los alimentos duranle su almacenamiento en congel;!ción ........................................................................ . 104.6. Importancia del estado vítreo en la estabilidad de los alimentos congelados ....................................................... . tOA 7. O¡,as aplica-:iones de la congelación .......................................... . 10.5. Producción ü¡dusaial de f;:o. ........... ....... ....................................... . 10.5.1. Sistemas mecánicos.. ......................................... . 10.5.2. Sistemas criogénicos ................................................ _......... ........ . 10.5.3. Necesidades de refrigeraci6n .................................................. . 10.6. Metados y equipas ........... ...... ................ ...................... . 10.6.1. Equipos empleados para la re[ngeración ........................ . 10.6.2. Equipos empleados para la congelación ....................................... 10.63. Selección del método y del equipo de congelación ..................... . 10.7. Descongelación ............................................................................................ . 10.7.1 . ~1étodos de descongelaci6n ......................................... ................... .
201 201
20l 2:)0
210 211
216
220 221 221 222
22l 227 228 23D 236
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11 CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS BASADA EN LA MODIFICACIÓN DEL pH, ATMÓSFERA Y AcrIVIDAD DE AGUA. EVAPORACIÓN Y DESHIDRATActÓN 11.1. pH .... _... _.................................... ....... ..... ................... .......... 11.1.1_ El pH Y los microorganismos alterantes ......... 11.1.2. El pH Y los microorga01smos patógenos .............. ..... ....... .. . 11.2. Atmósferas. ........................ ........ ................... .. ............... .. ....... 11.3. ActIvidad de agua (a.J .. ..... .......................................................................... 11.3.1. a.. y micToorg:~nismos alterantes y p:!!óg'!nos . ........ ........... .... 11.3.2. La Q,. Ylas reacciones químicas y bioquímicas ........................... 11.4. Concentración de los alimentos por evaporación ....................................... 11.4.1. Fundamentos de la evaporacIón ... .... ...................... . 11.4.2. Factores que modmo!l d"puntu cie ebullición y la transferencia de energfa ............................................................ 11.4.3. Efecto en las propiedade3 de los alimentos .................................. 11.4.4. Equipos y aplicaciones ................................................... __ ................ 11.5. Deshid rataciÓn ....................... _........................................................................ 11 .5 .1. Fundamentos de la deshidratación ................................................ 11.5.2. Velocidad de secado. Fases y curvas de secado ............................. 11 .5.3. Efecto en las caracten'sticas de los alimentos ............................... 11.5.4. Equipos y aplicaciones _................................................................... 11.5.5. Liofilización ............................................................ _......................
246 247 247 2~S
249
251 253 254 254
255 257 258 272 273 278 282 285 297
11 .S.6. Deshi
1:. O?ERACIOl\"ES D~ TRA.~S¡:ORMACIÓI' 12.1 Introducción ............. ..... ..... ................................ ......... .......................... 11.2 Reducción de la!!lA.'1o ............................. _.... _. .. .............. _. ___ .............. . 12.2.1. Reducción de t¡maflo de alunentos sólidos ...... ........................... . 12 .2.2. Reducción de tama60 de alimentos Ifquidos ." .......................... .. 12.3. Aumente de tamaño ............... ............................... ..... ........... ................ .. 12.4 Metcla .................................................................... , ,........................... _..... 12.5 Moldeado ................................................................................................ .. l::! .ó. ~f odt 5.:.l:ló n de la textu ra ... .. ........................... C ............................ . 12.6.1. Gehfica.cióo ............................. ~ ......................................... .. 12.6.2. Texturización .............................. . 12.7 Extrusión ...... ................. . 12.8. Operaciones de separación ............... ............. ................ ..... ..................... .. 12.81 Selección y clasificación .......................... .. ........... ..... ................ .. 12 .8.2. Sedim~ntació :'! . ..................... .................................. . 12.8.3. Centrifugación ......................................... ,,_ .................................. .. 12 ,S.4 filtraCión .... .. ................................................. .. 12S.5 Prensado. o. estrujamiento. ........................ ,................................ .. 12.S.6. Separación con membranas ..... ........... ....... .. ....... ....... ...... .. ........ .... . 12.8.7. Extracción ...................................................................................... . 12.S.S. Cris:aliución ... .................................... ........ ........................ .. 129. TriUlsfonnacio.ncs químicas ...... .......................... .. ........................... . 12.9.1. Per tratamiento. t~rmico ............................... ,............................... . 12.9.2 Por ua tamiento qufmico yenzimálico ....................................... ,.. 12.93 Fennentacie nes ... ........................ ..... ........ ................ ..... .. ..
310 310 311 315 318
320 3l.3
32J 32J
32' 325
330 330 3j1 332 335
33. 33.
34. 357 358
358 361 361
PRÓlOGO
El presente libro está dirigido a todos 105 alumnos de las diversas tituladone~ en las que se contempla el estudio de los alimenlos, como Farmaci a, Veterinaria, Ingenieros Agrónomos y Ciencia y Tecnologfa de los Alimentos y, en general, a cualqUier hcenciado con conocimientos generales de Química, Física, Microblologfa y Bioquímica que esté interesado en profundiur en el conocimiento de los alimentos. No obstante, los más bendiciados serán 10$ estudiantes de Vetennana, dado que en eSte libro se estudtan fundam!ntalmente los alimentos de origen animal. Asimismo. todos los técnicos que trabajan en la industria alimentaria tienen en estas páginas una buena fuente de información relacionada con sus actividades. La obra se ha dividido en dos volumenes: e! primero trata de [os aspectos bioquímicos de los alimentos, de sus componentes y de los Iratamientos tecnológicos que habitualmente se aplican a los mismos pan su comercialización, y el segundo trata, específicamente, de la tecnología de los alimentos de origen animal Como el estudio de! procesado de alimentos req;;ier! Ui\OS conocimi!:l:os pTe.·jos soc;e Ó¡versos aspectos bioquímicos y microbiológiCOS
específicos de los mismos, el volumen 1, tras un primer capítulo dedicado a la historia, el concepto y los objetivos de la T~c"olog(o de 10$ A/lmerlfo$, se inicia con un bloque de temu donde $e estudian el agua, los principios inmedialos, los oligoelementos y las enzimas. No se ha intentado profundIzar en la estructura de estos componentes porque se ha considerado que los estudiantes deben poseer ya tales conocimientos; se describen las propiedades físicas y qu(micas de interés y, sobre todo, las propiedades funcionales de todos los componentes mencionados que adquieren relevancia en relación con la conservación y la elaboración de los alimentos Además, como uno de los objetivos de la Tecnología de los Allm~n/os es el suministro de alimentos nutritivos y 'P IJ I ~Iz. 1M consumidor, se han Incluido [as reacciones desfavorables en las que dichos componentes están imphcados y la sensibilidad de algunos de ellos, sobre todo las vitaminas, frente a . . procesos tecnológicos. Otro de los objetivos de la Tecnologlo de los Alimentos es la ampliación de la vida útil de los aEm!ntos (conse:-", aclón) )" 5"J::,.in.is::o (transformaCIón de los alimentos), en lo que se detie-
12
Tecnologio eJe los Alimenlos. (11 Comportenles de lor olimenlo¡ y proceWJ
ne el siguiente bloque y cierra el volumen 1 Se U!la..., 10$ procesO! que se aplican en la indUJo tria alimentaria, con una descripción de las operaciones que pueden utilizarse para la conservación y la transfornlación de los alimemos. Los cC!llenidos de enos c.!pílulos son válidos. er: su mayor "art~, !:!!H') pr! a!imenl('! de orr· gen animal como vegetal, aunq ue se hace mayor énfasis en los mjs rele\'.!nl~ a les pnme~os. En el volumen 11, espedfico de los alimen· tos de origen ani mal, se describen los tr.!tamienros aplic3dos para su conserv¡JCLón 'f/o !f.!nsíOrIDación En primer lug¡lf. se aborda el eStudIo de la leche y los productos lácteos, con un anáiisis ponnenorüado de sus comj>VnerH:> y de los microorganismos que más uanscen· denc¡a lienen en Lacr%gia, a continuaciÓn, se describen los procesos de elaboración de los dlsumos productos hiele os naciendo especial referencia a 10$ aspeClos tecnológicos particu' ~ lares de c3da uno de ellos. Se cooti!lúa con las características generales '1 ~nsoriales de la carne, su lecnología '1 la de 105 produclos elabou· dos a parti r de ella Con el-mismo esquema, se estudian el pescado y los productos derivados de la pesca. Finalmente, el úll imo capítulo se dedica al huevo '1 los ovoproJuctos. El conJunto de la obra tnclu)'c un análisis en ma'lor profundidad de los aspeCIOS, proce · sos u operaciones que han SIdo desarrollados recientemenle. Así, por ejemplo, en el volu · men [ se han descrito suc\Otamente 10$ tratarruentos ténnicos, los procesos de evaporación '1 deshidrataciÓn o la aplicao:lón de frio, operaciones bien conocidas. mientras que se han analizado con mayor profundidad. entre otros; los hornos microondas '1 sus aplicaCiones; los t¡'atamien tos de irradiación, como un método fis lco de conservación menos extendido que la aplicación de calor; la exttusión, todavia en desarrollo pe ro que ha encontrado 'la numerosas
P
a JhCaClOnt:s tpastas. apenuvos. regai¡z, goma~ (!<: mascar. poroleina texturizada, etc.); la separ,IClón por membranas, que na evolucionado mucho en les ultimes a~e$ a raíz de la preparación de membranas de tamañe de poro uniforIl~ . elc. Por a ira pane. en los procesos chisicos S< han reco~ido los ultImas avances. por eJemp.1) la transiciÓn ~·it rea (un con:=epto tisicoquimico básice que se ha a!,licado recienteme r.te a les alimentos , que puede ser de gran ulllidad p na explicar la estabilidad de los alimentos congelados o produclos deshidratados. e .~tru¡ d :s . etc.), y se han in!roducldo las innoVaclO n!$ de [os equipos utdizados en operaciones cI'si:.:ls. c:J:;:.e e! s¡st~:::..! Ur5.:he! Com¡:rol pa· r<.la reducciÓn de tamaño. De la misma forma, en el ~'oJ umen J[ se ha anahtado con menos profundIdad la refrigeracIón de la carne o la fabricaCión de lec!!e con· d,;nsada o en polvo '1 se ha abundado más en el e~ludio de las carnes reestruc turadas 'f análogos de carne (que se impulsaron a partir de la d¿:ada de los selenu), en el surimi y los concentrados proteicos de pescado (que han alcanzado recientemente una gran aceptación en el m~rcado occide ntal), en los fenómenos bioquí. micos de la maduración del queso (cuyo conoci.,únto cic:ntífko ¿e,allado se hol ido desvelaado en los últimos ados) o en el UJO de at m~sferas modificadas para la am?liaclón de la vida uul de la carne (cuya implantación ha ,ido yosible gracias al desíl...'Tolle de! material p!ást!· ce-, aplic!ndose comercialmen te a las carnes desde la década de 105 ochenta). Esta obra reunt:, alllc:mpo, lus UpC:C105 bioquimicos. mic robio lógICOS, tecnológicos, etc. que permiten un estudio global de los alimentOs de origen animal. Con ella, los autores confían en qu~ el leclor comprenda no sólo los fundamentos sino tambu!n los procesos tecnolÓgiCOS utilizados en la IlIdustria ahmenlana.
1 CONCEPTO Y OBJETIVOS DE LA TECNOLOGíA DE LOS ALIMENTOS
En MIl! npítulo se hJce un¡ breve hislori. de los cambios sufridos cn 1.1 .Alimenticion d,d hombre a Ir¡~is de los tiempos, dude la prchiJlori¡ t.,uta la actualidad, y se ¡n,¡liu el progreso de los diitrentM métodos de conscrvación. Asimismo, se definen los conccptos de ¡Iimento y de nut.-iente y, por ultimo, le dCKtibcn los objetivo;: de 1.11 Tccnologl¡ de los AH. nltolOI.
1,1. De,arrollo histórico
Hace al menos tuatTo millones de a130s Jos prebomlnidos, por desconocidas razones, se desplataron desde los irboJes de Jos bosques a las sabanas y cambiaron su dleu vegelananJ. por la forma ornnfvou, lo que supuso un profundo efecto en la e\'ol::clon. de3de un ounto de \'ü,a tanlO biológico como cuituul. T;u un largo periodo evolutivo, las extremidades infenores fueron sufriendo mis y mejores adaptaciones para una posIción erecla y, muy lentamente, las eXlremloaoes supenores fueron quedando liberadas de su !.pt::::~ pa~;! :a;n¡i'!li" y finalmente la mano , al quedar libre , se conVIrtIó en un factor clave en la evolución del hombre ¿Qut! animales dIsponen de manos capaces de elaborar utensIlios' Los restos fóSileS (cráneos, mandíbulas, dlenles suehos) indican que hace aproximadamente tres ml!lones de J.~OS e;USlleron ya unos prehomimóos, los Aus/ra{opi!Jw;w (A.. alcrer.slS, ..... robWC';4 ) A bOIS~I) con algunos caracteres que recuerdan lejanamente al hombre moderno El salto hacia el Homo comenz.ó con la transformaCión del A afa,~nril en Horno hablfll (hace unos dos millones de e~os) r ts:e e:l H~ mo ~'eCffa (hace millón y medio de alias, aproXimadamente), donde están Incluidos los llamados PiucomTopus. BalO esa denominación slobal se Incluyen el hombre de Java , de Peltin, de Yuanmou. elc. (500-200 mil ai'los). los Ulen· sihos hallados junto a los restos de estos Individuos indic;!:l un ¡rada de e\'olución mental Más evolucionados, Sil'! duda, son el hombre de Neanderthal (100·35 mil aj'¡os), capaz de ta llar la piedra de una fOrma muy perfecta, y el de Ctom acno- (hace unos cuarenta mil anos), autores de las pinturas rupestres de Altamira . Lascaux;, etc., que pertenecen ya a la especie Homo sapil!/tS. Es probable que los pnmeros prehomímdos vIvieran en grupos poco numerosos y se desplazaran poda sabana en busca de alimento y punlOs de agl;!3. la morfología dentaria evoca \.on ; t!glmen ailmenuclO basado en heroáceu y
grarnlneas Sm embargo. los Ausrralopi¡JucUJ debieron tener una dieta mis variada de upo omnívoro; la a!t;nentación cárnica consistía, probablemente, en pequelios anima les (repti · les. roedores ete.) y cadáveres de grandes ma· mUeros abandonldos ~or los aruma!es ca.!'!lÍvo, .05 Los Pitedn;:ropos de la especie Homo uec;u.;. cuyos u¡ensihos han sido descubiertos en campamenlOs..I1 aire hbre o en cuevas, eran cazadores hábiles capaces de abatir grandes animales Hace unos quimentos mil ai'los. las glaciaciones foruron al hombre a adaptarse rápidamen· te ; el uso d~ cuevas por gr"':j)CS de so.~OO i;¡ =: ·,~· duos creó un ambiente propicIo para una mayor acción SOCial Es enlonces cuando el hombre dC3cubre el fuego, lo que contribuye a aumentar la vida socia! alrededor del hogar que el fuego calienta e iluf"Una Alrededor del hogar, los cazadores cuentan sus hazañ¡u y proyectan la caza del día sigUiente, lo que va a reforzar los lazos que unen a la (a:rulia y a la tribu Las tradiciones cul l".J.U;les comunes unirán a estos hombres. que Iransmltlrán sus tt!cnicas y su sablduria De esta fonna nacieron las civilizaciones, se desa · rrollaron y evolUCIOnaron Independientemente pe:o sin perd~r S;J propia id~n:ijad El conlrol de! fuego constituye un hito en la evolución del hombre prehistónco El fuego no s610 manl1ene al hombre caliente sino lambit!n lIurruna su hosar. le protes~ contra !os anima· les salvajes, le proporciona un cen tro de comu· mdad y modtfica profundamente sus altmen!os las C.1:n~s asadas tienen una lex¡ura y sabo. muy diferente de las crudas; además, se alteran más lentamente, aumenta su dlgesllblhdad y se eliminan microorganismos potencialmenle peligrosos Cuando el hombre aprendió a con lro· lar el fuego y lo utilizó para librarse del frfo y para iluminar su hogar estaba ya, de una forma Inconsciente. practicando el ahumado. Más tarde, movido por la necesidad de abaSlecerse en las épocas de escasez, el hombre ulLhzó proba blemente el ahumado y la desecación como una forma de prolongar la Vida ulll de sus ali· memos
Copi/uJo J' Co«eplo y ob¡e¡",os ck /o TK~;O ck los A1;menlos
Pasada esta primera larga etapa, la humanidad evoluCionó velozmenle. En ei ?aieoiinco y Mesolftico (30.000-8.000 ¡des) el hombre todavía 00 3e ha becbo agricultor pero utiliza co· mo alimentos una gran variedad de productos: buevos, (rutas, semillas. rafce;, insectos. pescado. miel y pequeños y grandes a nimales. Es en el NeoHtlco (9.0cx)·3.500 añes) c1.!2..'lclc I!.pa!!::e una agricultura ruóimeutaria con5isienle prin· cipalmente en cul!ivos estacionales. En este periodo el hombre también domestica los ani· males, a los que utihta como ayuda para trabajar y coma alimento. No se sabe en qué orden 10 hizo, pero sr que la cabra. c:1 y~. el bóf2.lo y el ce rdo los domesucó en la primera etapa del Neolítico. y el caballo, camello, asno, elefante y gallina al final de es te período. Con estos nuevos avances, el hombre aumentó la dIverSIdad de sus alimentos. en especial la leche y los productos lácteos (leches fermentadas y queso) que se fonnaban por fermentación espOl]: c,inea. En la Edad del Bronce (3.500 años a. C.) comenzó a regar sus cultivos, lo que se cree fue una de las causas que origmó un espectacular Incremento de la poblaCIón en Mesopota mla Igualmente, utilizó el caballo,! los bóvido! para arar los campos. apareció el comerCiO local,! de más larga distancia y cultivó las frutas. Amplió sus alimentos, en especial los dI! ongen 'le' getal incluyendo en la dieta higos, arrot, aceite de oliva. cebolla, dátiles, uvas, etc. En la Edad del Hierro (1.500 años a C.) a¡:arece el corr:e:cio a gran escala, !!r.tc ~or mar como por tierra y se mejoran los Utl1es de labranta . Como aliment os, se incluyen en la dieta otros nuevos, como especias, salsas y diversas frutas. Más tarde . por fin. en la época griega y, sobre todo, en [a romana se llega a la plenitud de la agricultura con el uro de fertiliuntes, la ro tación de cultivos, etc. En las cuencas de los gra ndes rfos (Amari· 110. Ttgris-Éufrates, Indo·Ganges y Nilo) se desa rrollaron grandes civilizaciones. A través de la s escnturas cuneiform<::s de 10$ sumerios. algunas de ¡as cuaie~ s<:: remontan a unu~ ~eis
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mil años a. c., se sabe que este pueblo elaboraba ya dl~<:rs.1s productos i¡j,¡;¡~os y es probabie que el origen de los mismas tuera mucho más antiguo. de la primera época del Neolftlco, cuando el hombre aprendió a domesticar los ammales. Además, los surnenos eran muy dependientes de la cerveza, como lo demuestran los registros históricos que han llegado a nues· :'.05 ó;a:;: U,¡ ¡.abaJador recibía un lIt:o de ~r veza por día, los oficiales de baja graduación 2, los de más elevada 3 y la nobleza 5. Igualmente, en el código de Hammurabi (1728·1638 a. C.) se presta una ate nción especial a la cerven y se prohIbe la veota del producto con un baJO COn' tenido alcohó[lco a un elevado precIO; con ello, se está previ01endo el aguado. Es un claro ejemplo de la intervención del gobierno en la Industria Ahmentana. Los )eroglfficos y las tumbas, donde se describen y representan escenas cotidianas del antiguo Eg¡pto. han proporcIOnado valiosos dalaS acerca de los alimentos y de los medios de cooservación que los egIpcios utilitaban. La dieta era muy variada para la clase dirigenle pero sigue siendo todavía un enigma lo que comia el elevado numero de esciavos y soldados que servían a los faraones Por ejemplo. Ramsés 1I tenia unos 50.000 caballos para sus carros de guerra. lo que da una idea de la población que había que alimentar en aquella época. No obstante, se sabe que los egipcios desecaban y sao 1alOnaban el pescado que capturaba n en el Medllerráneo y en el Nilo, )'a en las primeras dinastías elaboraban cerveza v vino y sabían dIstinguir enlre la primera fer~enta~iÓn alcohólica y la secundaria acética que conducía a la obtención de vinagre Fabricaban también pan y conocían la forma de preparar malta, que al principio fue utilitada como edulcoranlC y más tarde para la fabricación de cerveta. Los egipcios sabían también cómo fabricar queso, como lo demuestran los restos de este alimento encontrados en jarrones de alabastro de la primera dinastía. Los griegos utilitaban una amplia variedad Ge a;i¡¡-,entuS (.::;.~~,es Ge ¡c.:l,,Js ¡O~ tipes, princi-
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f"cnolagio de los Alimenlo•.
PI Compotlen/fH de fOI
p~lm('nle de cerdo y aV~!, ?e~cados y una gnn variec'ad de productos vegetales), que utilizaron !~. ~!'.-:;::1::':::~S :!~' !!.~ Y oi~~ ~~, C~ :!~:!~! ~e redar)o muchos de sus hábitos alimenticios, Ellos ~ñadleron a la dieta nuevos productos, como el aceite de oliva (cuya técnica de fabrica cit;-.!:' i::-.jJc;:.!:,:;:;!e C~e::!. e ¿e .--\5:::. ~.r:::o., .:!,J;::.:!! j-.!.ie ;:'':'::~::.l. ~:!.:i.l.:~ 15\x) a. ej, ':,";i' t¿¡ceos y moluscos. El aCeite de otiva, ad:m1s de uulizar;o como aiimento, en ritos religiosos y como cosmético, se usó como agente conservador, con el fin de excluir el aire. Los griegos cOn"C·.1~ 1:!.IT!b:n h fOr.1\:l c!e enfriu t:,,~icos po: el'J.pofa::ór! en :ecipie:l:es Ce b,-o ..~_:is· tóte!t::; (siglo IV a, C) habla del queso de Frigla hecho o;on lec~e de asna y }'eguJ., de cuyo gran valor lIutnt!VO tuvo conciencia. La época romana se caracterizó por el comercie) a gran escala tanto a conas como a lar· gas di~ tanclas. Una de las razones de la e:l:pansión d!l Imperio Romano fue [a necesidad de obtenl..' má .. alimentos para Roma. A~i. el trigo prcducido en Egipto, ES9al'ia y África del I nono: aseguraba el abastecilTUeoto de la capital del imperio, mientras los romanos distnbuian I por todas sus provincias las mejoras que hacíI an en la agricu ltura, tales como el descanso de uerra, la fertilizaci ón, la rotación de cultiI la vos.la trilla, etc. El prensado. una de las operaciones tecno1 lógicas. fue profundamente mejo rado por los 1 romanos. Co[umela (siglo 1) describe una prenI sa para obtener aceile de ohva y PlintO (siglo 1) otro (¡Fa donee s:: combma la palanca y la rosca. Columela describe tam bién en su Dt!. Re Rusnca la fabricación de queso e informa que hab(a exis tido una evolución gradual desde la ¡onnadón de la cuajada por fermentación natu· ral hasta una producción con trolada, como el control de [a temperatura para regular la acoón del cuajo y la compruión cwdadosa de la cuajada par3 evitar desviaCIones durante el proceso madurativo. A través de 105 esentos de estos autores y de otros, como Catón (siglo II a. C.) y Varo e. (siglo I a. C.), sabemos que los romanos utilizaban recipientes de barro para proteger
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olim¡mlos y procelO'
Jos alimentos. que practicaban de una fOlma regular el salazonado y la acidificación con vi ::'2g=~ ~=ocd~:-:'~ C~ !! o:'!::c!1-:iér.. c!~1 !!c::-h:!, que utilizaban la miel como medio de con~ ervación y que desecaban diversos alimen to:i al sol. Fueron excelentes panaderos y vinalercs y ~i,}Faga:,:;¡: !J.s :r,ej'::::.:.s ~~! c-..:~t;;·;; ée !! ',:! a :.a;-~s ó: :;¡.:!,J el ; ;::~o::iv. ,'\u:::¡:':! Ll .:!:eta ::le los plebeyos, fundamentalmente a base de ·:eroles, era mucho más pobre quo: la do: lOS r:oatricios. por los escritos de Catón y Columela se sabe quo: aquéllos salazonaban y curaban la c:!;:¡e de sus a~lm~les dom¿s¡jco~, 50br~ tedo !:!. p:oc~d~n:e c!l cerdo. r ehboraban con :! pescado, por salazón y adIción de especias, dIversos tipOS de salsas, entre ellas, el garum, de la que Plini o escribió que "apenas ningun 0,:0 liquido, e:(:epto los ungüentos, ha llegado a ~; er mái apreciado". Curiosamente conocían ','a, aunque de una forma totalmente empírica. os electos desfavorabl~ de los mecales en~a au~o OXIdación de las grasas, puesto que ro:comenoabao no utiliZ3r recipientes metálicos para el almacenamiento del acene de oliva. Se dispolie ~ambién de datos que demuestran que los emperadores hacían enfriar el vino y otros alJmentos mediante hldo transportado desde las montañas. En este sentido, parece ser que utilizaban en verano bebidas heladas. La Edad Media constituyó un [argo paré:!l.:sis en el estudio de nuevos p.ocedimlenlos de conservación y daboración. No obstante, se j;-¡Iroduleron en Europa nuevos alimentos procedentes priñcipalmente del este, Los mongoles introdujeron en Europa el alforfón, denomin.ldo vulgarmente trigo negro o sarraceno, Las cruzadas ocasionaron la importación a Europa de frutas y verduras que se desconocían . En Italia se desarrollaron las pasras, inuodudda" pOSiblemente, por Marco Polo como re.sullado de 105 viajes que ruzo a Cbma_ ¡gua/menle este viajero llevó una receta de Peia'n a Venecia en 1292 de leche helada. La destilación se empezó a utilizar en Italia hacia el año 1100 de nuestra era y su práctica era normal en la Europa del SIglo XIV. El azucar de ca~a fue otro producto
Capillllo 1: COt1Cfpfa y ob¡.'I>'OJ de /o TecllOlogia d. IoJ Alimenlal q!!~ sut!ió el': la ultirr:! ?:!ne de la Edad Me· dla. en Egipto y en el Oriente Medio !:;'";' ,,;v ~. 7":'S:~-;':'-~~. ,!, c'~'!' ~~t hombre europeo sufrió un Imponante cambio con e l descubrimiento de América. En espe· cial, eltomale, el ma;z y la patata vinieron a re' ~"i..:=¡"nai ci ',üjJ ;¡-.;.:r. .:!;::, a;,;::;;,;~ ;~~::::e:::e la pa:a:a. pr,,':::,;,b:,:;;';1c:::c .-:igi::::.ria ~e ?ex o Bolivia. no se aceptó masiva;nente como ah· rr:erHO !last:! el s'glo X·... iII. {gu:![me nte los \ia· Jes a la India, cada vez más frecuentes, supusie. ron un aumento en el comercio y, en conse· cllel'.ciJ. el eso mlSivo dc lu espe~jJs que ce al!í p.ocedr!..'l. En el plano tecnológico, el impacto mayor se produjo en 1795 cuando el tabncanle de cero vela y luego pastelero fran cés Nicolás Appen consiguió conservar dIversos alimentos al enva· sarlos en recipientes sellado. y cakntarlo$ después en agua hirviendo. Con ello, en 1810, ga· nó un premio establecido por Napoleón para quien fuera capaz de Invenlar un pro.;edimien· to de conservar los alimentos que pernuliera abastecer a sus tropas, localitadas a grandes distanCia de sus bases de apro\lsionamiento Se había inventado uno de los procedImIentos más eficaces para destruir los microorganismos de los alimentOs. El sistema diseñado por Ap' pen fue uno de los avances cientiñcos más 1m· portantes de la Industria Alimcfl{aria que más tarde darla lugar a la tndustria del enlatado. El primJtjvo procedimiento de fabricar lalas de Durand proporcionaba un rendimiento de U¡¡OS 10 recipientes d;.l....ios. los aC:UJles pc:ée;¡ ?roducir más de l.ooo ?or minuto. Al principio, en 1860, la esterilizaCión de las lat as se efectuaba durante 5 o 6 horas a 100 ·C, en agua hirviendo. M.!is tarde, se lo~ró aumentar la temperatura a 115,5 ·C efec.rlWldo d c.a.JeD.ÜI· miento en agua adicionada de cloruro c.tlcico, con lo que se logró reducir el tiempo de eSten· IIzaclóo, y en 1874 se inlroduJo el autoclave, que es el procedimiento utilizado actualmente aunque, por supuesto. más automatizado_ Hoy día, coa el desuroUo de las técnicas de envasado aséptico, es posible csterilizar los a.l.imec.tos
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liquid:>s a tem!)eraturas mu~ elevad.u, coo le que $/: ha conseguido aumentar el poder cspo. r::~~! ~ ¿:~::: ¡.::l'.!:: I~! e!e:::·::! F~::1.!~:::.!!-:s ;:!e! calentamiento en las propIedades sensoriales y nulnllvas de los ahmentos. La oJllhzación de frío Industrial es otro de los a·,a¡-,;:,:s ",ás espe:::J,:~~~:es. El c.s,J ée hiclo pa r..l :¡,a ~sp,,~:a: pes:,:,l.:!':: ~;:s,:.:l e~a haoitual en GCi!...'l13rellna a paltl.! de 1785. pero fue en 18]8 cua.,d·~ ~omenzó ¡a miliución indus¡¡üi de frío para I1 conservac:ón de pescado en los barcos, lo que penm¡ió efectuar tu capturas en aguas m~ ¿;!ta~tes. En 1%7, R:e:! iiwer.tóla prime. ra em~ld de enfriamien:o, basad:!; en el ciclo complesión/e.'(pansión de amoníaco, que fue perfeccionad3 entre los a~os 1874 y 1876 por Von L nde, Soyle y Pictel. En 1877, el barco Fri· gorifiqut transportó con ¿xito carne fresca con· gelada Jesde Buenos Aires a Rouen en 110 días, y dura He 1886, 30.000 canales de corderos llega. ron a Li)ndrcs procedentes de las lslas MalVlnas, ~o caoe duda que la aplica.:ión de ,emperaruras de congelación supuso un avance. adicional. Hoy dí"a. es un procedimiento habitual En el siglo XIX se desarroll3ron ouos proce· sos de Interés. Cabe citar, por ej.emplo, el que dio lugar a la margarina Napoleón rtI ofreció un pre:nio a qUIen encontrara uo 5U5U1utO de la mantequilla; lo ganó Mege·Mouries, qui.en patento su procedImiento en 1869. Los cultivos puros para la Cabricación de cerveza se tntrodu· Jeron en los ultimos años del Siglo XIX, ]0 que condujo a mejorar la calidad y a la obtención de c!:veZlS :lcrmali::aC3.S_u.ccilm.."uga de La· val pan la separación de la nata de la leche se inuodujo en 1877, con lo que se ahorró espacio y mane- de obra y se incremeotó la eficacia de la separación. En 1835 se patentó un aparato p.ua la evaporación de leche y r.n 1860 SI' "'¡eu· ITolló la leche condensada. que muy pronto se acept6 como un allmeoto d.e .excelente calidad microbiológica. Un procedimiento de desb.idralación de leche se patentó en Gran Bretaija eo 1855. aunque este producto con una gra..o cali· dad 00 pudo obtenerse basta casi UD siglo des· pués.
Pt.ede de1.lI'sc, pUti, que IOOO~ ios procedl' mientos de conservación de ahmeolos se bene6· c:a:O:1 oel de~Mi"C ¡io oc ia CIenCIa a parur oc l. revolución mdustnaJ. El progreso de los méto· dos de conservación continuó durante el presente siglo, meJorand')se enonnemenle 115 antl!uas ¡eCOIcas (ahumado. deshidratación. empleo del frío, tratanuen¡os térmicos, uso de conservado· res, er.\'.:!sa'lo. trar:sporte. ete.). cr:ándoie otras nuevas (radidclOnes lonlZanteS, caientamlento dieléctrico, concentración por ósmoSIS inversa ultraCiltración. etc) que han culminado con leenologfas reCienteS, de las cuales unas se han Impuesto rápidamente (atmósferas modifica· d:!S o e."(tia:':l~n é: .:ier:!s H!s:.!nCl.!! c~!"! flui· dos supercrftlcos, como la cafeina) ) otras es· tán aún en tase de experimentación (altas preSIones, calentamiento óhmico. pulsos eléctricos o termomanosonicación). Además, se han da· do gigantescos pasos en el conocimiento de la composición química de los ahmentos e:'! e1 es· tablccmuento de las neceSidades nutritivas del hombre, en el conocimiento y la fonna de con· trolar los agentes caUlI.nles de alteración tanto biológiCOS como qufmicos, en la comprensión de 105 principios físicos que gobiernan los mé· todos de conservación, en el control ce mu.::'os Yo ~;¡ algunos casos. de todos los [.. c(ores que partiCipan en los procesos de fabncación de los distintos alimentos En fin, puede decirse que se ha pasado de l empirISmo al control clentifi· co, es de:ir, I¡¡ con.servació¡¡ ) tran.tormaci6n de los alimentos ha dejado de ser un arte para convertirse en una cIencIa. El nacimIento Ollcial como tal CienCia se consid..:ra que tuvo lugar simultáneamente en ESlados Umdos y Gran Bretaña en 1931 En ese año, por una parte, la UnlVeCSldad de Ore· gón acuñó el término de Tecnología de los Alimentos con motivo de la Introducción de un nuevo curso sobre este tema. Por olCa parte, en el mismo a/'lo MacLellan'propuso al consejO de la Socie ty ol Chemical Induslnes (SC I) de In glalerra, la creación, baJO el nombre de Socie ty al ¡he Food Industry. de un nuevo grupo al que ~e l!lcorpQr2l:ri;!~ Ic! miembr~ de I~ SQ~;':C;!C
onglOai IDleresaoos en el problema de los ah· mentas, su propueSta fue aceptada y el 11 de olClemore oe 1931 se constituyó la nueva aso· ciación como una rama de la se!. La importancia que adquirió la nueva sociedad fue tal que en 1937 comenzó a editar sus publicaciones en forma de procudillj! aparte de las de la sel y en el verano de 1948 se celebró en la Lo.", Temperature rte5earch Slalion (Cambrid· ge) el pnmer curso sobre CIencia,! Tecnología de los Alimentos Esta iniCIatiVa fue pronto ImItada en ottOS paises La secciór. canadiense de la SCI creó en noviembre de 1937 una rama dedicada al eStu· ::!io ce !~S atir.:e~t>:lS que se den>:lmin.1 Food alld NurrillOfl Group. Movimientos s!milares surgieron en Estados Unidos, donde tamb¡~n eo 1937 se celebró la pnmera reunión sobre problemas de la consernclón de alimentos, en la segunda, que tuvo lugar en 1939 en el Massachussets ¡ns!!tute of Tech.'"Iolcgy, se fundó el Instltule oí Food Technologists. Hace unas cin· co décadas. los Científicos britániCOS comenza· ron a utilizar el término Food SClena y en 1950. un comné deSIgnado entre profesores de la UnIversidad definió a la CIencia de los Ah· me¡¡¡\lS "'mo fa ci.mcia que se ocupa del cono· Wl!ltnro ce fas prop,edades jisicQl, qu(micas y bIológICOS dt [os ailmtfllOl y dt los priTlClplO! flUlr/fillos y a la Tecnología de 105 Ahmentos como la uplolo"ón Industrial de dichos prinCl' pios bdsicos.
En la actualidad, eXI~!en 50ciedades como las antes mencionadas en muchos pai5c~ )' !~ enseñanza de la Ciencia y Tecnología de los Alimentos se Imparte a, nivel un¡vers,tartO, en la mayoría de los mismos
1.2. Alimenlos y nulrientes No es infrecuente utilizar los términos ali· mentos y nutrientes como sinÓnimos cuando en realidad son conceptos que, si bicn se encuenIran (ntimamente ligados, difieren en muchos ::!.~:e:!os S~ puede :e!'::::~ .! les a!:rJl!o:los como
los productos de composición compleja que en consumIdos por el hombre para satisfacer sus necesidades nutritivas y complacer las senso· riales. u,s nurrienu$ son ciertas sust.ancias con· tenidas en los a¡ii71eniO~ que el o:g,;,nis:;¡o uúli· za. transiorma e Incorpora a sus p'0¡Jios ¡eJljos para cumplir tres fines básicos: :!porta, la er.:r· g:.! ne:::es:!n.! ;:-::: q:..:: se m:!r!!er!g! ia !n!e~n· dad y el perfecto funCIonamIento de las emuc· (UTas corporales, proporcIOna r los malenales necesarios para la (omución de estas es¡:-u:!u· ras j', pOi último. su:ninist,ar las s:.Jstan::;;n neo cesarias para regular el metabolismo En los alimenlOS se encuentran los slgulen· tes nutrientes. a) Carbohidraros, cuya función pnnclpal es aportar energía al organismo ~' que pue· den converurse en grasa corporal. /1) Grasas, ¡as cuales proporclonan un ma-yor aporte energético que los carbohi· dratos y también pueden formar grasa corporal e) Proleín(Js, que están compuestas por ami· noácidos que constilu~en los matenales necesarios para el crecimiento:, reparación tisular. El organismo puede utllizarlas tam bi~n como fuente ener~~tica d) MintraltS, que se utihzan para el Ct
La definición de alimento comprende, ade::-_!.! :!:! ~~:rr.i.::!::, :!\!~rier:te. otro t:!::J.b¡~:"l de gran importancia: el lell.Soriol. El valOr sensonal de un a[imen:o es más dlficil de concretar porque la definición del rrusmo debe tener en cuema t"da> !c.5 propiedades d= 1"5 ¡limen tos (¡¡;,ac:h;) \l~i,;J.l. ;.101., .;abo: I t::x:;.¡¡a) que interaccionan con los sentidos, las cuales están moduiadas ~'or u!' gr!!!n número de compuestos que, en parte. todavía no se han idenuficado v dependen estrechl!mente de las peculiaridade~ fislcoquímicas ~ psíqUICas del orgaiUsmo.
1,3, Concepto de Ciencia y Tecnol09io de los Alimentos Son muchas las definiCIones que se han acusobre CIencia y Tecnología de los Ali· mentos Unas son muy simples como la ciencia que se ocupo del ~!ludro de los a{¡menros, que aunque por sí misma pueda dehmllar e[ objeto de esu ciencia. los alimentos. no proporciona un con~pto claro de la nqueza de la misma, ni mucho menos es sufiCIente para poder comprender el sentldo de esta disciplina o de las dlsciphnas que dentro de ella existen Otras de· fimclones han trat.!do de recoger de forma amplia todas las actividades relacionadas con los abmentos e incluso se ha dicho (Hawlhorn, 1983) que "en su sentido más genuino comienla en el campo,! ttrmina en la mesa del come· dar" y que "Ios progresos lecnológicos de los a!tmentos han penerrado en e! campo para ejercer su inlluencia sobre la propia agricultura", Jus tlficá ndose esta opInión ofreciendo un ejemplo acerca de cómo es necesarlO que para que los guisantes congelados presenten su frescor, color}' textura escoger la variedad. preparar las tie rras para este fin y cosecharlos y :ran$port~rlos en condlciones óptim
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Tecnología de 1m ,AjjmenloJ. 1'1 ComFoflfmleJ de IoJ o/imeflloJ y proceWJ
te grupO se ofrece la defimclón más mc:ierna, de 1992. que emergió del Institute o! Food Technologlsts de Estados Umdos, qurds la inStitución de mayor prestIgio Internacional de las que se dedican al estudio y dIfusión de todas lo!5 o!ctividades relacionadas con lo, alimentos Dice así: la Ciencia d
j¿r.ar;ión, Irar.s/vrrr.:u;ió:;, t!r.~.:s.;':o, ¿i.;:r;:;¡. USQ de a!ur.t:ntos Iwtrrrivos y segUf(.;
ción y
1.4 , Ob¡elivos de la Te(nologio de los Alimentos El primer objetivo, que destaca sobre los demás, de la Tecnología de los Alimentos !s lograr el abaJucimitnlO de a1im~fHOS nUlnlivos y sanos al hombre que, como aOlmal helerólrofo que es, necesita cubrir sus neceSidades energétIcas y plásticas mediante el consumo de 1lversos productOs procedentes de los rdooi anImal, vegetal y mineral. La gran mayoría de los productos procedentes de los dos pnmeros reinos son altamente perecederos, en especial los de orisen ar.ima!, por lo que su vida ti~il -:5 e.'(lre madamenle cona. Ahora bien. el hombre . necesita alimentarse diariamente y un buen número de ios alimentos que consume se producen estaCIonalmente y, con frecuencia, en puno tos muy alejados de 10$ lugares de consumo. El a bastecinuenlo regular de los al ime ntos requiere, por lo [aato , el almacenamiento y tra r,sporte de los mismos, operaciones que precisan de un cierto tiempo durante el cual los alimentos se hallan expuestos a la acción deletérea de [O· do ¡ipo de agentes alterantes. Es necesario eV!tar que actúen dichos agentes. 81e es el objetIvo primordial de la Tecnologia de 105 Alimentos. controlar los agentes alterantes para lograr
un aumentO SUllCleOle oe la VIda utii cie ios aiimentos que permita su almacenamiento y transpone a los lugares de consumo en un eSlado nutritivo y sano. La Tecnolog\a de los AII' mentos es pues, en primer lugar, una tecnolog{a de /(1 cortServaClórr de los alimentos, Aparte de este obJeuvo principal, eXlSlen otrOi no menos importantes. El hombre es un animal capncho5o en SU5 coslumbres y, po. lo tanto, tamOlén lo es en cuantO a 5t! alimenta· ciÓn. Para que acepte un alimento no sólo es necesario que cubra sus n~cesidadt!s sino es preciso también que le guste, que 10 encuenlre agradable y, por otra parte, el consumo continuado ¿! U~ mismo al!i:1er.(o cmantt! t.i!l tiempo la,go le lleva pronto a rechazarlo por cansancio Por lo Ilnto, no se conforma con consumir un número reducido de allmenlOS sino que quie re dis poner de un:!. gr:!.:'! va!l~dad, dende pueda esco· ger Este es otro de 10$ objetivos de la Tecnología de los Alimentos. la dlvusi[icación de los a{imelllQS para satisfacer esa neceSidad psicológica que ha heredado, probablemente, de la época en que sólo contaba con sus sentidos para distmgulr entre los alimentos beneficiosos y los nocivos y procurarse una dieta completa a tra· v~s de una alimentación variada Ésta es una finalidad que ti~M mu)' en .:ue!it::l la lndus<~ i:!. Alimentaria moderna, de tal forma que algunos de los procesos aplicados a 105 alim~n:os están sólo diseñados para conseguir este fin. corno es el ClSC de la amplia vanec!ad de kches fermen· tadas. en espeCIal yogur, que se encue:man en el mercado (yogur de frutas, con edulc:orantes, o;:on aromatizan tes, yogur lrq~id.:l. etc.). Un tercer objetivo de la Tecnologia de 105 ..l,.I lmentos, que es posible llegue a adqurrlr gran importancia en el futuro dada la escasez cada vez mayor de alimentos que la humanidad esta padeciendo, es el de procurar e/ má.timo aprovechomit:rrto de los rt!Cl,.lrSOJ nutrllillOS exiJtellfu en la actualidad en la tierra y buscar arras nueVOJ a panir de fuentes hasta ahora no utili· zadas. Cabe mencionar, por ejemplo, la producción de alimentos a partir de especies marinas que en la actualidad están infrautillzadas.
Cop/IJlo' J. CO#tCtlpIo y obttll'VOJ de lo T.cflOlogio d. Jo. Alimenlol
nnalmenle, e5 aSimismo función de la TecnollJgia de los Alimentos lo oreporoci6f1 de. pro· luCIOS para Indl"iduos COII flecesidades nu-
,as esp~ci(Jles, como mños, anCianos, dlabétlCOi, etc. Los diferentes procesos aplicados B 105 ahmeuos requieren UIl conocimiento profundo de I.L composici6n química de los alimentos, así como de las propiedades físicas, qUlmlcas ':! funponales de las su.stancias que los componen No se pt!ede elaborar un nuevo produclo sin ~lber la re!puc!ta de los componentes del mismo frcnte al proceso a que ha de ser sometido no se puede aplicar un tratamientO sm conoe,:r en qué :U3',;f.l \3 a dlSrr.ilu:¡ .. la ae;jvidad de ciertos principios nutritivos; no se puede tratar un alImento sin conocer qué modificaCiones sensonales van a prodUCirse En fin, 1:. control de lodos est';¡$ fen6menos requie.. re un profundo conocimiento de los aspectos bhk:)s de 105 mismos_ Estos conocimientos son :lrevios a los procesos tecnológiCOS, De utoS aspectos se oc~p: la Bloquími~ (o Qufmica) de los Alimentos, incluida denlro de la Ciencia de los Alimentos. Iguales consideraciones podrfan hacerse aeerel de la Mle,oblologia de los Alimentos. eSla d isciplina conui¡uye la ocra base de la TeenJlogfa de los Alimentos; son 105 microorganismos los pTlncir31~s agentes de alteraci6n y " la destrucción o inacti"ación de los mismos la me:a q;,:e iHele;¡Ón l1canZlr muchos de los procesos que se aplican a las &limemos pa ra aumentar su Vida úll! Pero no todas las a-;ciones de los mlcroorgamsmos son dele ¡ereaj, el hombre aprol/echa las aCllvidades de altrr/I
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gunos para elaborar cienos productos ql:e, a veces, son muy dl(erentes de la materia prima de que se pamó, tales son el pan, el vi~o, la cervezj!, dIverso! productos lácteos yem)Utldos madurados. Se estima que en lo! pafses desarroll !dos más de la mitad de los alimenlos que el t')mbre consume son procesados de una u otra forma, üna industria de uJ naturaleza no se t"uede basar en m~lod05 inspirados en el alle y empirismo, sino que requiere de ~~todos 5~gU ros que proporcionen alimentos estables. 'grao dables y de ca lidad uniforme. De estos metodos se ocupa la Ingeniería de los Ahmeu:os, que no es rr.is que el estudio de los prin.:iplus en que se fundamentan las operaciones a que se someten los alimentos desde su llegada a la industria hasta que se libran al mercado Por últlmo, una de las misiones de la Te,:,ologia de los Alimentos es hacer llegar al co lSUnidor alimentos sezuros, exentos de age,lIes nOQvQS tanto bi61icos como abtóticos y con una composlci6n y un valor nutriuvo determinado_ Para lograr esta meta es necesario que los ahmentos se produzcan con la má.uma higiene y limpieza, que se uuliccn unas buenas práctiCas de fabricación y que se ajusten a unas nom!3$. De todas eslas cuestiones, su inspección y cuan' la legislaci6n hace referencia a las mIsmas se ocupa la Higiene e Inspección de los Alimentos. Bibriogrofia HAwtHORJ'oi, J (l91!il): FlUldtlltlvuos Dt h C,t,,ciD de los AllnlttlfoS Aenbi.l. ZaU¡oza.
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los regiillrOI orqueolOgicc» muetrrcn que el hC)tl\-
bte prltlll'orico ¡Mesolil'lco/Ne~ilic!l1 :J':¡dic:> be ya I1 ahumado ¡con II (Orllro! delluegol , k~l Ilrmlnlodonls ¡elaboraba pon, c,rvezo, vino, quelo, Ie¡;!,e, íe:m.mod::a, ,1:;.). elloOlc:tonodo y k: dl5lco;:;on. MOl tarde, I-f inrrocivlo el pren~ do (por Illmpio, u fobricaba ocai/e de 0/;'101 y yo en lo, apocol gnego y ,omono uUfion ver· doder::n !re:oclcI de fo:,ri~dOn :::It o!;unol d,· mentol, como lo del queso. delcriTo en De Re RvSlico ¡Columelo), Desde el comiento de lo hvmo,idod. pues, le fueron aplicando d. íormo empírico numerOIOI r:'Iatodos de conlervociOn de olimentOI nosle el pruenre ligio, .n que el empi. rismo 11 /ro.nslormó en cl.ncio y tecnologío. 2 lO I elimentO! Ion prodvctol de composiCIón compleio que, en..es.:odo nOMo!. DfocelOdo, O cocinadol l.On consumldOl POf . 1 hornore como Ivente de nutrientes, osi como poro su 10tillac· ción senlOfioL
J lOI nvtrienres son ciertal lvstanciOl contenidOI en 10, alimentos que ,1 orgonilmo vtiliw, trOrll' lormo e incorporo o I'JS propios rejid::n ?o.-o ct:m?'ir Il'u fine! xsi:os : ,1 opor1e de le ene ..· gío necewrio poro que le monten;o lo integri.
dad y .1 perfeao funcionomienlO de lo, estructure! '=!?OIdel, k: pr:)Yisión de 101 melerio!es neceseri:!! pare le formadon de el~c~ edrJdu;e~ y. por último, el suminlltro de !01 JUltcnciol n. C.,0Ile, poro regulor el m.":IOoIi,mo 4 . Lo Citncio de /01 Alimental " , de acuerdo cor!
e ! Inshtult 01 roed Technolog im Jo dIsciplino que v:i1, zo /01 c,encloJ b,olOgicos, fiSICOJ, qv;' ml'=1 y lo Ingeni"ío poro el ellvdio de lo natu,e/ezo de los olimentos, las COulOS de JU o /reroción y lo, pnncipios .n que desconso .1 proceJodo de /01 ol,mentOI y lo Tecnologio de lo! Alimentos es lo cplocociÓfl de lo ci,ncio de lo! o/imelltos ocre /o ,,1&Ceión, clJnse/VCIdón. /rOnsbrmoc:iiN:, e.1vo;¡sado, distribución r uso de olio mentos nutritivo! r segurOI
5 . Los ob¡Itll\'OS de lo Tecnologio de los Alimental Ion : oJ lograr el OOOJ!e-cimiento de alimentos nv1"li"O$ y lOnOl 01 hombre. b) d¡ve"ihcor 10, ol~ mentol poro qve el c;on$vmidor puedo .legir el"ltrI uno emplio variedad, cl procurar el mO:w.:imo oprovechomiento de los recursos nutritivos del plcnet,;¡ y bUKOI nueVOl Iventes de olim'IlIOI y d} p.-epo rocio n de a limental pOtO Ind ividuos con ntctlidode! nutritivos especiole¡,
2 AGUA
En este ClpílulO se estudian la¡ constantes físicu, I¡ estructur;¡ del agua y del hielo y lu propiedades disolventes del agu¡, COl"l el fin de como prender las funciones que desempeñan en los alimentos. Por ot" parte, n define el concepto de act ividad de a!ua Yse analiun lu isotermas de sordón de agu a y su importancia en Tecnologia de los Alimentos.
2.1. Inrrocuccion en este planeta. el agua es la unlca suslancia que existe abundantemente en los tres estados fisicos. Además, es el componente mayo:i · lario de los seres vivos y. por lo lanto. de los alimentos, vmando su contenido desde un 60700/.. en la carne hasta un 90·95':' en las \'erdu· ras. El as;ua es esencial para la \lda por ser Porcadora de sustancias nutritivas y de productos de desecho Ahamente (eacu~...aI u.mpo, un medio donde se r~a!izan las reaccIones Un em.blhz:!d·)f C! la! con!igu~'!cior.!; biopo¡imeras, Un determInante de las reaccIones con olras mol¿culas La presencia de agua en cantidades adecua· das v con una localización definida es impres o cindlble en los alimentos para que tengan una calidad aceptable para el consumidor Slil embargo, el contenido en a!Ula de [os alimentos hace que f!slos sean allamente perecederos, y por ello se reqUIeren métodos efectivos de conservacIón si te pretende almacenar estos prodt.:ctos duran,e I.:!.rjcs ¡::!rfoo.;¡s. Es bien c.Jn.;¡cido que la ex,racción del agua por deshidrata ción o la transformación al estado sólido (congelación) de un alimenlo, son métodos muy dicaces para la conservacién d! los alimentos. aunque altera sus propiedades SI se pre tende conocer el papel que juega el agh3 en 10.$ alLment.;¡.), o en cualquier ¡ip.;¡ de matenal biológico, es necesario primero un estudi a de la estructura y propll~dades del agua y del hielo.
2,2, Constantes fisicos del aguo y del hielo Al comparar las propiedades fislcas de l agua y del hielo con otras sustancias de masal moleculares s.imilares (CH" NH 1, SH t • etc.) y
OtrO~ liqUII:iOS (melanoi, etalloi, acelona, eIC) se observa que el agua se corlporta de una for o ma totaimente anormal, ya ql;e posee unos va· lares muy altos, no habltuale~, del punto de fusiÓn (O oC a 101 ,3 kPa), del plinto de ebullición (100 oC a 101,3 kPa), de la t,~nS\Ón superficial (0.0756 N m· l • OoC), de la ca:lacidad calórffica (.!,2177 kJ I.:g-I K·I a OoC) y calores de [u5lón (ti,OI:! Id ¡r;ol-I). de \'30omación (';0.63 k1 mol':) y suoiunaci ón lW.9i (j mol-; J- Por el contra no, llene una denSidad moderadamente baja (0,9998-11 g cm-' a O·C 1.. del agua. la del hielo 3 OoC es de 0.9168 g cm") '1 una denSidad má:tlma, totalmente anormal, a 3,98 "C. asf co· m.J una dilatación, tambi.!r, 2l1ormal, .al p:aU( al estado s6lido. Su viscosidad, por otra parte y a la vista de las propiedades anteriores, es e1( Iremadamente normal De gritn IOlerés es el hech: de que la conductividad térmica del hielo a OoC (2,2.:1 W m· 1 K-I) es cuatro veces mayor q U-1: la del agua a la misma temperatura (0.57 W m-' K·I). lo que 10' ~ica que el hielo conduce la energía calorifica a una velOCidad mayor que el agua mmovilizada - (por ejemplo, en los tejidos). Es importante tambIén la dirusividad térmica, ya que indica la velocidad a la que los alimentos sufren cambios de tCOO1¡;erllu:.:!. La del tielo ( 11,7 )( 10. 1 ro! S-I) e5, a O OC, unas nueve vec~s mayor que la del agua (1,3 x IO-J m! S-I) . Las d Iferenc ias existentes entre los valores de conductiVidad y dlfu"vidad térmica de ag,ua ~ hielo e:o.:plican por qué 105 tejidos se congelan más rápido que se descongelan.
2.3, La molécula de agua Las art ormales constantes fisIC3S del agua sugieren la existencia de fuerus de atracciÓn muy fuertes entre las moléculas y una estructu· ra, tanto del agua como del hielo, poco comun. En la molécula de agua (figura 2.1), el álomo de 0.1Igeno comparte un par de electrones con cada uno de los átomos de hidrógeno. por superposlci6n de los orbitales híbridos Spl de!
Copil"'lo 2: AgllO
átomo de OXigeno Se forman asl O:os en;J..:e~ covalentes (213 de carácter covllente '1 ln de carácle r lónico).
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FICUV, 2.!. Modelo I!sGuemofico d~ oguo.
d~ ",no
mollculo
Mediante análiSIS espectroscópicos '1 de n· 'los X, se h:lO deter!l!i::Jado coo precisión 105 ángulos de valencia '1 las longitudes El angula de valencia medio para el entace H-O-H en el agua u de 104,5· que le proiNrci"nll. una co:>figuración teuaMrica casi perfecta (el .ingulo del letraedro es 109·28') de 105 cualro orbitales spl posibles del átomo de origeno. La cx¡:h caclo n Oe esta ligera oeSVlación es que los elc-ctrones no compartidos del átomo de odgeno Ilenden a repeler a los electrooes pareados. La dislancia media entre H-O es de 0.096 nro. E:sta disposición de los elecfrones ee la molécula de agua le confiere asirnetria eléctrica. El átomo de oxigeno elect ronegativo neode a auaer I~ e lectrones no compartidos del ¡horno de hidró-
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geno. El rt.> ... :;a.:! .. e~ q .. ~ ~.l.:!'¡ ....0 ,je io,> aos átomos de hidrógeno posee una carga local pare ",¡ poSIiI\a, e, alomo) de oXlgt!no, a su vez, posee una carga local parcial negltiva. [k esta lorma, la molécula de agua es un dipolo eléctri co. El grado de separación de las cargas posiuvas y neg",tivas en las mol~culas dlpolares se expresa por el momenfO dipola, que cOnst:luyc uroa m~dlca c~ la tender.::i3 de un~ :'nO!~CU!3 3; oncnlarse en un camp" el¿clrico. La naturaleza dipolar de la molécula de agua aislada hace que se produzca una (uerte atracción e[ectrostáuca entre la carga parcial negativa, situada soore el átomo de o:cigeno de una molé::'Jla de agul '! la eug! ~arcia! pcsi! iva Situada sobre el átomo de hidrógeno de otra molécula de ag ua adyacente, da ndo tugar a en· laces de hidrógeno. A Cdusa de la ordenación aproxImadamente tetrao!drica de los electrones en el átomo de oxfgeno, cada molécula de agua tiende a establecer enlaces de hidrógeno con ouas CllaltO moJo!cubs de agua vecinaJ. Ea comparac:ón con los enlaces covalenles, con una energía de enlace (energía necesana para disociar el enlace) de 335 lc.J mol-'. [os enlaces de hidrógeno tienen una energia de enlace mucho más débil (2-40 kl mol- I). Co mo los enl:1ce, co ... a!m l~ S de la molécula de agua están localizados sobre dos de los ejes del tetraedro imaginario, esto,s dos ejes represenlan lineas positivas de fuerza (sitiOS dadores). Pero en el áeomo de oxigeno permanecen otro par de orbitales sobee OIrOS dos ejes de! teeraedro y representan lineas negallvas de fuerlJ. (sitios re :e;¡tor~, ce e!l..!aces de h.idróge· no). En vir1ud de estas cuatro líneas de fue rza, cada molécula de agua puede establecer cuatro puentes de hidrógeno con otras cuatro moléculas, obteniéndose. como resultado, una estructura tambjo!n tetraédnca (figura 2.2). Debido a que la molécula de agua tieec un número Igual de sitios receptores que dadores de pue ntes de hidrógeno que pennileo una disposición tndimensional, hace que existan unas fuerzas de atracción mu'l grandes eoue las mOléculas de agua, sobre todo si se compara COD
2 .4 . Estructura d el hiela y del ag ua
FIGuv. 2.2 Config\lloc.io" Tltroidflco de molk\llcl de oguo unidos por eoloul de hidrógeno O: O~igeno; . : h>drógeno. fueNe. FeMeme t1996) I~ fuerzu de auacclón de otras mol&ulas pequdlu con configuración te tra4!dnca, tal como el NH" que tlell~ tres hidr6g~nos y sólo un $1tia receplOT, o el FH con un hidrógeno y, por lo llr.:O, tres sitios receptores. Ambos no llenen igual numero de receptores y dadores y, por ello, sólo pueden formar enlaces de hidrógeno en senlido bidImenSIonal y, en consecuencia, un menor numero de enlaces de hidrógeno entre sus moléculas que en el .tIgua. LI disposición IridimenSlonal de las moléculas del agua explica muchas de lu propiedades. anormales que posee. su gran capacidad ca· ¡orifica, su aho punto de fusión 'J de ebullición, su te nsión superfiCIal, los ," tos valores de los calor« de fusión, vaponuclón y sublimaclón~ todos ellos relacionados con la gran canlldad de energía que se necesita pira romper los en· laces de hidrógeno intermokculltes
El agua, con sus fuerus dlnpdas en las tres direcciones del espacio y en el sentido de los cuatro ejes de un tetrledro. cristalit.z en una e!¡ruclura ablen¡ de baJa densid3d. La d!stanci:! entre los dos itomos de oxígeno más cercanos es de O.Z76 nm '! el 'ngulo que fonnan !n!:S áto· mas oc oxigeno es liger&menle sUpenor a 109" (muy próxImo alingulo del tetraedro perfecto, 109" 28'). En el hIelo, cada molécula de agua se halla unida po: enlaces de hidrógeno a exacta · me me otras cuatro moléculas de agua que se asoci:m d:: '-2\ forma que se obtiene una e5:ru~· [ura hexagonal, que es la ~mbm3ción de dos planos paralelos muy cercanos con los átomos de oxígeno dIstribuidos de forma re!Ular. Esta dlSOoslclón constituye unl tHruCiUra basal. Cu~ndo varias estructuras basales se unen se obtiene la estructura habItual del hielo El hIelo puro no es un sIstema eSI'IICO constituido sólo por moMeulas de agua dIspuestas en un orden preciso sino que es un sistema di' námico porque, al margen de cOnlener en can · udades vestigiales cienos isótopos (deuteriO, tTltio, lH, \10, 110, etc), que puedeo ignoral'!e en la ma~or{a de los cases, los erista1-:s de hldo rJunca son totalmente perfeclos, existiendo de· fectos de tipO Orlentacional (eaU5ados por dis· locación de protones) o Iónico (formación de Hp · y OH") que explican la ma!,"or movihdad de los prOlones en el hielo que en el agua; se cree que eSI'n en VIbración continua que dllminuye al hacerlo Ii! temperan.:ra, sien::!o neo cesario alcanzar temperaturas del o rden de -183"C para fijar los ;itomos de hidrógeno y conseguir un SIstema estitico_ Este estado di · namico del hielo se ha relacIonado con la ael1' vidad de cIertas reacciones que, aunque sea lentamente, siguen progresando en los ali mentos baJO congelación En el hielo cada mol&ula de 3gua est' unida a airas eualto moMeulas vecinas. En el aguI liquida a O-C cada molécula de agua se halla UIlI' da, en cualquIer momento, a otras 3-4 mol4!cu· las, ?c= o ~:a tli!:1!, ii! c!:s:a.;¡::¡ e¡¡;:¡e do~ .. tomas
Capítula 2 · Agua ¿~ :~g~:!c ~ s..:;-:::c~ ! h q..:~ ~ ~:1:::''':~='.:"1 ~ :! el hielo: 0,29 nm ¡ 15 "C Y 0.305 nm a 83 ec. A partir del calor de fusión del hielo $e ha a.1culado que cuando ~ste se funde a O ec, sólo se rompee un 1~": d= les :=tla~=s de h!:;6g~;¡o ~xist~=t~s en el hi~lc. !::! !¡u! !f~u;:a pu~d= considerarse, pues. como fudo qrubraruado Ent.~ las mo!~cu!as ¿~ agua a 100 "C ex¡s¡en todavfa fuertes ¡traCCIOnes, como puece Indl· car el elevado calor d~ vaponución. En reali· dad los enlaces d~ hidró~eno no se disocian totalmente huta que el vapor de agua se cahenta por encima de los 600 OCE;me el agua) el hielo el.iste, pues, una pe . quetla diferencia en la cantidad d~ enlaces de hidrógeno estableCidos, lo cual puede parecer sorprendente si sc compara la rigidez de! hielo con la fluidez del agua.. La teoria más difundIda pan dar una exphcación aceptable reSide en la velocidad con que 5: establecen y rompen los enlaces de hidrógeno. Aunque en un Instante determinado la mayor parte de las moléculas en el agua Ifqulda es(jn unidas por puentes de hidrógeno, la Vida media de cada enlace de hi · drógeno es sólo de 10- 10 a 10- 11 segundos La estructura del agua es, por lo tanto, s610 ~su · dística, ya que es el resul tado de una media ob· tenida en el espacio 'j en el ttempo Por consIguiente, es a la vez fluida y estable. Se ha empleado el término de agrupacioflts ¡1UCfUOnItS para designar los grupos d~ moléct!!ls de agt!a, de vida corta y estructura sImilar a la del hIelO, existente en el agua líquida La \elCCldad con que se forman y escinden los enlaces de hidrógeno en siSlemas aCuOSOS supera, en mucho, a la velOCidad de fonnación y destrucci6n de la mayoria de 105 enlaces cava· lentes. Esta caracterfstica confiere I los enlaces de hidrógeno una gran ventaja blológH:a en lo que se refiere a las reacciones biomoleculares.
2.5. Propiedades disolventes del ogua El agua. por su naluraleza dipolar, d isuelve a dlsperu mucn.! SUStanCIas, es un dl$Olvenle
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c~J: : ;:.!! !! ::.a)"c: ;:a..-;~ ~ l.:x :f:;uidos corrientes. Muchas sales cristali..tadas y otros compuestos lónicos se disuelven con fa· cilidad en d agua pero son casi Insolubles en ¡;:Js U.:¡ui:;)s a?o13res. tales como el cloroionno o el ben:ei ;). Pues:,J que la red cnsahna de las sales , por ejemplo el cloruro sódico. se rnantien~ Unida mediante fuertes atraccio nes electrostall~a$ enlre iones pOSitiVOS e iones ne o gatlvos alternantes, se necesita de una energfa cor.siderabl~ pa:-a separar a estOS lon ~s unos de otros El 2gU!. cist!e!ve, no obstante, al NaO cnstahzado gracias a IlLS fuertes atraccio · ne5 electrostaucas entre los olpoios oel asU I y los iones Na' )' O- que (orman los iones hidratados correspondientes, muy estables, y superan con ello la tendenCiJ de 105 iones Na' yela alrae~ mutuamente. La;ol'lalación iónica se ve favorecida también por la t!ndencl! del disolven;e a o;>on=rle a la atracción electrostática entre los iones poSIUVOS y negal:"·;5 que viene expresada por la coruranlt dltUctrlcQ D, definida por la fórmula
::::.td:o
donde; F. tuerta de atracción entre dos iones de carga opuesta tI y tI '" las cargas de los iones. , = distancia enlre los iones. El agua posee una constante dieléctrica muy elevada, comparada con la de disolventes orgá· me tanol 33; elanol 24; acelOna nicos (agua 21,4; benceno 2,3, hexano 1,9). Las fuerzas de atracción en el agua existentes entre los IOncs Na' y a-, por ejemplo a una determinada dls tancia, son sdio un catorceavo de la que mostrarian en el benceno, es un faclor que favorece la hidratación de los iones y la desorganización de la red cnslalina Otro tipo de susfancias que se disuelven en el agua con fa cilidad son los compuestos no iónlCOS pero de carácter polar. tales como los azúcares, alcoholes sencillos, aldehidos y celOnas. Su soluoihd.d se debe a la tendenCIa de
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Ú!KnoIogío
d~ {Ol A1im~rnos .
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Compon~nl~j
jZ.i ;7¡;¡Ié~".J!;i.i Ó a,;;1.:::' ;! :!5tl::!~~: ~:'.::!.~!s :! hidrógeno con [os azucares y alcoholes y el !tom\) d~ ox[ge¡¡0 dei V..:P-- cz.:-Dij". ~ '::. lai "';.::!c hídos y las cetonas.
de 101 olimer'lloJ y prCX;~SOJ
Agu.
2.6. Interacciones del aguo con sustancias apolores El agua ta<.lbi:!n ciipe'ia ml.:~~..1s C.:lmpues· que contiene n grupos apolares o hidrófobos !onnando micelas, siempre q:.::e lales como puestos posean también grupo! fuertemente polares. ESte tipo de interac,ión r :sulta pOSible por el estlblecimienlo de enlaces de hidrógeno que, en este caso, no se estable:en entre las moléculas del solulo y del dlsol~t:n le, SIOO en· He las moléculas del disolvr:nte. Los compues. tOS que contienen grupos muy J idrófobos y grupos fuertemente polares simt lIáneamenle se denominan anfipáricos. .. Las blomoléculas antipáticas m.is comentes que tienden a (onnar mice!as son á,;¡dos grasos y IIpidos polares. También, ~Il la mayor parte de las proteínas alrededor del40'Yo del 10lal de ami· noácidos tienen cadenas laterales no polares, tal como el grupo metilo de la alanina, el Isopropilo de la valioa, el mercaptometilo de 'a cisteína, el metdo e isobutilo de las leucinas, etc. Un ejemplo sencillo de interacción hidrófoba es la ,al sódica del ácido oleico (figura 2.3). El oleato sódico tiene muy poc:!. tendencia a disolverse en el agua en forma de una disolu· ción molecular verdade ra ya que Sil larga cade· na hidrocarbon.2da ::s io!rL'ne:;~rnente i!uolu· ble en el agua. Sin embargo. se dispersa en el agua con facilidad, rormándos! O1lcelas en las que los grupos carboxllo negativamente cargados se hallan -expuestos a la fase ;J.cuosa y los grupos apolares pennaneccn ocultos dentro de la estructura micelar. Tales micelas poseen una carga negativa nela y permanecen eo suspensión debido a su mutua repulsión. Las cruce!as pueden contener centenares y aún rruJ[ares de mol~ ¿uJas de la sustancia antipática. La localizaciÓn interna caracteristica de los tOS
o·
FIGU~A 2.3. Micelo de oleo1o lcdico. grupos carOOl(ila. NY'o: grupos apolares
grupos apolares en las micdas es el resultado de la tendenCia de las moléculas de agua a adoptar el estado de máxi:na liben.ad (entropía). En dicbo estado el agua posee una cohesión interna enorme a causa de los enlaces de hidrógeno. La inse rción de una estructura no polar, como una cadena hidrocarbonada, en el agua necesita de energía puesto que las mol,l;culas de agua que la rodean se verán forzadas a adoptar una ordenación más regular, que posea menos enlropia o liben.ad que el agua pura. Es deClf, las micelas se forman porque el agua tic:ne más afinidad por sus propias estructuras que por las no polares. En el ¡ntenor de las micelas ex..islen fue nas de atrección adicionales eolre las eSlIUcturas hidrocarbonadas adyacentes, manifestadas por las inreraciones de Van du Waol/s. Por no existir un enlace estequiom¿trico verdadero e:ntre los grupas no polares de una micela es más apropiado emplear d ténnino de interacción hidrófoba que el de enlace: hidrófobo para referirse a la asociación de las porciones hidrófobas de las moléculas antipáticas. En comparación con los enlace~ de hid róge:no, las intuacciones hidrófobas poseen poco carác¡e:r direccioo.al pero tieadea a producl1" sistemas de elevada e~tabüidad.
2.7.
:~ e~o de los se!t.:!:a d eloguo
e~!::: esrr..:,! !.!~ =
La presencia de un SOhHO iónico, como el NaO, origina un cambio en el agua líquida, ya que cada uno de los lone.s Na" y CI- se harla ro· deado de una capa de d Ipolos de agua . ESlos Lones hidratados poseen una geometna algo dife rente a la de Ia.s agrupaciones de mol~cula5 de agua pUja unidas pOi en!a.:es de hid.6g'l:;¡o Las distancias ¡nteriónicas mediu en disolucIOnes acuosas de un soluto disminuyen a medida que aumenta la concentración del soluto_ En el ¡>;aCI, por ejemplo. cuando su concentraCión es de 0.15 M (concentración aproximada en el plasma sangufneo). los iones 1'3' y CI- se hallan separados 1.9 nm. Puesto que cada Ión Na' y el- hid ratado posee un diámetro de 0.5 a 0,7 nm, y un agrupamiento tetratdnco de cinco moléculas de agua que tiene un diámelfa de ap roximadamente 0.5 nm, está claro q ue debe ha be r un cambio considerable en la estructura lridimension~ y en las propiedades del aJUa líquida cuando se disuelve NaO en ella. las $8 les romper! la estructura del agua El efecto de un solulo en el disolyente se manifiesta tambi~n en las propiedades coligall vas (presión osmótIca. pUDto de ebuU ición. punto de congelación, presión de vapor, etc.) de lu disolucIOnes. las cuales deper:den del nu mero de panlculas del soluto por unidad de volu men del di sol yen te_ Los solutos producen efectos característicos en el disolvenle tales como el descenso del punlo de congelación, la elevación del pl.!n to de ebullición y la dimLinución de la presión de vapor Confieren la mbién a la d isolución la propiedad de la presión 05móuca. 2.8. Efedo de los soluto.s en lo eslr\Jduro del hielo La cantidad y la cla$e de salute iafluye en el tamatio. estruclura, localización y orie nla ción de los cristales del hielo_ Se han realizado
..
n;ic-s ~s~c!!~os S~~~~ !! ::..!::.!:.!!~::.:: C= !es c:istales de hielo en pre$enCla de dlslinto$ $Olutos '-' -.-~' 6~~'- - :.... ... _J.. -,••"¡,_s-;n:¡, ." \6"--'''''' ''' - ' ' ' ' '.~w, ere.). Con estos 50lutos se forman cuatro tipos de estruc tura principalmenle formas hl:xagonales, dendritas irregulares, C5f~rulas tosns y esféru_ ¡ai evanesce ntes. ;-';0 ooslante, tamoieo puecen tonnarse una gran vaneoad de IIpOS iatermedios_ La fonna hengona! =s la no::r al. con una ordenación mas perfecla; parece $,( que se da en las muestras que se congelan a U'la lemperatura moderadamente baja (n" en la congela. ción raptda). La forma hexagonal e., reproducible con todos los solutos anterionn-:nte citados excepto con la gelalina Con este soluto la cstructura del hielo posee un deSO lden mayor que en la forma hexagonal Lu dlsclucLones de gelatina forman crisla/es de hielo cibicos o yí· neos que llegan a se r más abundanles a med ida que se Incrementa la velOC'ldad '.ie congelación o la concentraciÓn de gelatl!la Aparentemente la gelatina , que es una mol ~cula de gran tamaño, compleja e hidrófila, puede reSlringir el movirruento de las moléculas de agua y la facultad que llenen para formar estruclUras hexagonales En gene ral, puede decirse que aunque se pueden formar estructuras diferente:. a la hexagonal en los alimentos y malerial bilJlógico. no SOn habuuales
-_:-
2_9 . Actividad de aguo El agua es. probablemente, el faclor individ ual q ue más influye en la alterabilidad de los alimentos. Por otra parle, está peñ!C[amen te dc. most:'%do q~.!. alunentos ca:: el mi!mo cenlenido en agua se alteran de fonn a distinta, de lo q ue se deduce claramen te que la canlidad de agua por sí sola no es un fiel Indicativo de deterioro de los alimentos_ Como consecuencia de este hec ho, surgió el concepto de acuvidad de agua (a..). que ha sido muy valoracfo en estudiOS sobre alteraciones de alimento:s por estar
directamente relacionado con el crecimiento y activIdad metabóiica de 105 nucroorganismos y con lu reacciones hidrolfticas. La utilidad de la Q. ha sido, a veces, devaluada debido a que no siempre se puede predeCir totaimente el crecimiento microbiano. ya que la respuesta oe los rrucroorgaOismos es diferente dependiendo de! soluto que sea r~s ponsable d~ 1 \ alor de Q ~_ Sin e:nbargo, en tér· mmos generales puede decirse que gracias a este concepto se puede calcular la estabilidad de muchos alimentos, mejorar procesos de concentración }" deshidratación de alimentos e, in· cluso, diseñar nuevos productos más estables. El términO de Q .. Indica la intensidad de las ruerzas que unen el agua con otros componentes no acuosos y, en consecuencia. el agua dis· ponible para e! crecirmento de mlcroorganis· mos y para que se puedan llevar a cabo di fe rentes reacciones químicas y bioquímicas. ~ Cuando se añade un soluto al agua pura, las moléculas de agua se onentan en la superficie de! soluto y se interrelaCionan con ~L Como consecuencia. disminuye el punlO de congela· ción, aumenta el punto de ebullición y disminuye la preSión de vapor segun la ley de Raouh que dice: "Ia disminución relat;\'a de la presión de vapor de un líquido al dISolverse en ~l un soluto es igual a la (racción molar del solvente". La expresión matemática de la ley de Raoult es:
dO:ld~ :
P", presión de vapor de la solución. Po., presión de vapor del agua pura. ni'" moles de soluto . n z " moles de solvenle. La actiVidad de agua se defi ne como la relación existen le entre la .presión de vapor de una so lución o de un alimento (P) con respecto a la presión de vapor de! agua pura (Po), a la mis· ma temperatura. Q~'"
PIPo
El agua presente en los alimentos ejerce. por lo tamo. una presiól\ de vapor que depende de la cantidad de agua, de la concentración de so1ut05 en el agua y de la lempe ratura. Evidentemente. SI no hay solutos. como es el caso del agua pura. la relación enlre las pre· slones es la unidad; en consecuencia, la a~ de lodos los alimentos es SIempre ¡nfenor a uno eSte descenso se explica porque los constitu· yentes químicos que están presentes inmovili · zan parcialmente el agua. con lo que disminuye su capacidad de vaponzación y su reactividad qwmlca En re21idad. la a ~ es la re!ación en"~ la fugacidad del disolvente en la disolución (j) res· pecto a la fugacidad del disolvente puro (fr¡), entendiendo por fugaCIdad la tendencia que presenta un disolvente a escapar de una solución Sin embargo. a bajas presiones, como es la presión ambiental, la diferencia entre la rugacidad y la presión de vapor es tan pequeña (inferior a 1%) que normalmente se habla de presiones. Seria. por lo tanto, más correcto ex· presarlo como'
Dado que 10 que se mide realmente son las presiones y a veces no coincide totalmente con la Q .. , algunos autores han indicado que sería m.is razonable utiliur el t~rmino presión dI! va· por ."ó;:il/:; (P!Po). Si., embargo, dado lo extendido que está el térmmo d~ Q. en la comunidad científica y la poca diferencia que representa, en este lioro se ha preferido utiht.r dicho t~rmino La Q .. de un al imento y la humedad relaliva del ambiente en el que se encuentra tienden siempre a eqUilibrarse, por lo que a menudo, se expresa como humedad relativa de equilibrio (%)(HRE), a~ '" HREIlOO
La relación entre Q .. y el contenido en humedad de un alimento viene determinado por la ecuación 8ET (g ru :.a'..:!~, S::::::e:¡. Te1!e.~:
Cepiluto ] ; Agua
31
donde'
!ti .. bume::lad del producto (gflOO g de ma· lena seca). M, • cont.:nloo en agua GOneipvndiente I la capa monomclecular (g/!OO g d~ materia St:.
,,) C = constanH~ relacionada con el calor de adsorCIón del agua retenida.
O , 9S~
'.
I
0*[
El "alor de la capa monoonolecular, denomi· 0.85 '=-~c:-~c:---::--:---:---:--::----,::- I nada mOfuxapa BET. representa el contenido -20 -15 -lO -$ O S 10 15 20 de humedad al cual el alimento es mis estable A contenidos más bajos, puede haber oXLda· clón lipidlca, mIentras que a contenidos mayo· res pueden eyistir actividades cnlLmáticas, no FGUItA 2 <1 R,ple5.nroculn es.quemÓIICO dI! lo lelo. enZLm'tlcas y microbianas. ciOn .ntr. odividod d. agua y r,mpelal\.l(a de una Realmente , la ecuación BEr no permite mutlrra d.rerminedo ofr:~r resultados precisos en todo el inter.alo de actividad de agua de un alimento, debido' fundamentalmente a que los tratarruentos ¡¡pli· Cuando el alimenta se aproxima al punto de eados a los ahmentos durante su elaboraCIón congelación aumenta la pendrente de la recta. pueden alterar las propIedades de $Orción de lo que indica daramenle que la Influencia de la agua de sus constit uyentes. Además, durante la tempera tura en la Q. es mucho mayor a temo adsorción de agua, los componentt$ de los ali· p~raturai de .::ongela':16n e InCeriores. Cuando un ahmento se congela se van formando cnsta mentos pueden experimentar cambIOS en su es· les de hielo práctIcamente puro, mIentras que tructura, cons titución, etc. La ecuación SEr los solutes migran a la (ase liquida donde se sólo se confirma experimentalmente a valores conce nlran cada vez más Po r lo lanlo. la a de de a. compre ndidos enue 0.05 y 0,40. Exist~n olras e.::uaci,Jnes que tambi¿n rela· los alimentos congelados, n deCIr, en presen.:ia de hielo, depende (undamentalmente de la cionan estos dos parámetros; todas eUas pue · den reproducir con crerto ~x.to los datos de hu · temperatura y no Influye elllpo de solutO$ que se encuentra n presentes Por el conuario. en medad en equihbno pero mnguna proporciona los ahme ntos no congelados depende sobre tOo resultados pa ra un alimento en todo el mle ..... a· 10dell do de la composiCIón y, en menor medida. de la tem pera tura. En consecuencia, la informaCIón Como se ha indicado, cua ndo se define ta ac· t,vidad de agua es necesario especificar la que aporta este valor en los alimentos a temo lemperatura ya q ue estos valores son tempera· peraturas subcrioscópicas es mucho menor tura dependientes. A medida que esta aumen· puesto que no está relacionada con la presen· cia de solutos. Adem:h. hay que ar'iadir que el ta , lo hace la Qw porque aumenta la presI6n de vapor. Si se represenla la a w de un ahmento valor de la a .. de los ahmenlos congdados es Con un conlenido de agua constante , respecto menos indicat .vo de alterabilidad. ya que las a la temperatura se obt iene una linea recta , temperalUras de congelación mfluyen por sI so· (figura 24) pero sólo en un mtervalo de te mo las en la viabilidad de los mIcroorganismos y peratura en las reacciones quimlcas y b.oquimicas M
M
32
Tecnologio de los A1¡memOJ. {I} Componen/eJ de 10l alimentoJ y proc
2.10, Isotermas de sorción de c;uc:: Las :sot:::-:r:as d:: so,.:ién d:: a~.;¡¡ hln grifi· cas que relacionan el contenido en agua de un alimento con su actividad de agua, o lo que e~ [o mismo, en función de la humedad relativa de la atmósfera que rod
E:l hs :sC!~::::J.5 :~ sc::;j;,! d.: a5'';3 s.: ?;.:~_ den disungulr tre. zonas poco delimitadas que indican la for:'¡¡¡¡ ~n .:;..ze e! agua se encuentra ¡i· gada a los alimentos (figura 2.6): Zona a). E!; el agua más fuertemente ligada y men)s moviL Se corresponde con el agua de la capa monomolecular fija a los grupos polares de ciertos compuestos. espec~aJmen •.: a NH¡· y COO- de las proteínas Y·I los grupos OH~ de los almidones. así como al agua de cristalización de a¡úcare, y sak5 Es muy difiCIl ex(.aer. nO es .;ongc:lable y no se encuentra disponible pua actuar como disolvente o reactivo. Consiltuye una cantidad muy pequeña de l agua total de un a]¡mento y corresponde a una Q., inferior a 0,2-0.3. Ellímlle enrre las zonas A y B es la denominada mJnocapa SET. Zona bf. COr.lprende e! agua correspon· d iente a las capas de hidratación de Jos cODstituyent.!s solubles, es deCIr, proteínas, sales, azucares, etc. Está ligada por puentes de hldrógeno e interacciones di· polo-dipolo o retenida físicamente en microcapllares de diámetro inferior a 1 J..Im. El punto de congelación '! la capacidad solvente se enCuentran muy reducidos.
'. flGU~
2.5 _ Isolermo gen.rol de sarción de aguo en un alimento
Cop/t"lo 2: Agvo
Zona
L
O
,,, Zotl.. e ,
2~B
1\,
33
,,, ,
i
-'OC2"5~----------¡;0~:"---;"0
'. FIGURA 2.6 bolelmo de sor..;ibn de og"o dI!'
La a ~ está comprendida entre 0,20-0,30 y 0,80, aproltimadamente Zona e). Representa la mayor pane del agua de los tejidos frescos. Es :1 agua me· nos ligada y más móvil de lo. alimentos aunque el puntO de congelaCIón está algo disminuido. Se encuentra retenida física· mente en membranas, capi lares (diáme. tro superior a 1 )J.m), geles, etc., por lo que se puede elimi;;ar fáClbnen¡e por di· versos procedimientos_ Su retención está determinada por el pH y las n.erzas i6ni·
lUl
alimento con bcjo cOI'1tenido en oguo.
caso Es la responsable de la alteración de los alimentos ya que está disponible para el desarrollo de microorganismos y las r~acciones químicas. Equivale a una a .. de 0,80·0,99. Al representar las isotermas de mrción de agua de un alimento es necesario indicar a la temperatu ra que han sido construidas. Lógica . menie, si la Q ... es dependiente de la temperatu· ra, I!sta intluirii tambien en las iso¡ermas de sorción (figura 2.7). Esta dependencia sólo es
(;00len.oo
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'. FIGURA 2.7. EfKto de lo tempercNro en lo isolermo de ~ción de CJgvc.
importante Jo valores de 0 . inferiores I O... 'Oj. ED la fisurl se observa que para un mumo conterudo en agua, la 0 . aumenta a medida que lo hace la temperatura. Si se siÑa un alimento en un ambiente con una humedad relativa (HR) superior ala humedad relativa de equilihno (HRE) del alimento, ~ste fiJ:l:! vapor de agua tendIendo a alcanzar el equ¡¡ibno, es decir, adsorber! agua Si, por el cont:ano, el alimento se coloca en un ambiente cura HR sea Inferior a la HRE correspondiente al contemdo de agua del producto, ~ste ceder! agua medIante el proceso llamado desorción En !eneral. la isote!:rl3 de adsorción para un producto determinado no es superpomble a la isotenna de desorción_ Esta falta de cOincidencIa de las dos gr!ficas se conoce como hUltrt· lU de las isotermas de Jorción de agua y se de· tecta sobre todo en la zona intermedia de las gr!Cicas (figura 2.8). La magnitud de la hist~re· SIS es vanable y depende de diferentes laclores como son la naturaleza de! alimento, los cam· bios fisicos ocurridos cuando se allade O ehmi· na alua, el grado de desoreión, la cantIdad de agua eliminada durante la desorción y l. temo peratura (a medida que disminuye se hace mis evidente). Los alimentos con una Q .. determinada , a una temperatura constante, Siempre presentan
'!\I'
mayor contenido de durante la desorclón que en la adsorción Los pnnclpales ar¡omentOI que se han ofre· cido pan explicar este fenómeno no totalmente adarado son: a) Durante la desorción el alimento des~rende agua que estaba más o menos li gada, es deCir, agua que no est! t:ltalmente libre Sin embar!o, eo la adsorción e l agua captada 00 tiene o tiene menos puntos a los que unirse debIdo a las interac· ciones de los constU u}entes no a::uosos du;ante la des..:lra6n. por lo que el agua se encuenlfa mb libre Con el mismo contenido en agul hay más agua libre en la adsorCión o, 10 que es lo ffilsma,la actI· vidad de agua es mayor ea la adsorción b) El alimento rellene agua rientro de. los capilares. durante la adsorción, el agua captada t¡ene más dilicultad para entrar ya que la ·presión de \-apor de agua que se neuslta pan que penetre en los capi. lares es mayor que pua que salga, por lo que con el miSmO contenido en humedad en la adsorción hay más cantidad de agua fuera de los capilares y en la desorción dentro de ellos. Además, durante la desecaCión, los capilares se pueden obs.
..
"""'",.
DESOAClÓH
__--~1.0 o~--,rn----~--~ .SO O,7S '.
Capi/ulo 2. Agoo t:.....:i.
} j¡s:;-'::¡u:' e: ¿ibe..~ i..,eri~r
También influye la. viscosidad del producto. que es mayor en la. adsorción que durante la desorción, debido al menor con.eo¡ao en agua. :!.. Es[~ f~:Ióm~no ~s d~
es?ecia! Imponan:ia en aquellos producw5 deshidratados que necesitan ser rehldratados para su comercialización. Presentarán una acttvidad de agua ilge ramente supeno~ a la es?erada con el cOl:SigUlente peligro de d:tenoiO, Igualmente, es necesario tenerlo en cuenta en los alimentos envasados que sean muy hIgroscópicos.
3.
2.11. Apl ic ocion de Jos isotermas d e sorción en Tecnologia d e los Alimentos las isotermas de sorción de agua de los alimentos son de gran utilidad en diferentes aspectos; L Permiten evaluar la estabilidad de los aiimentas, La dlsmmución de la 0 .. frena el crecimiento de los microorganismos (en este orden: bactenas, levaduras y mohos) de ¡al forma que ~ detiene totalmente a \'alores de 0,6 o inferiores. Igualmente, la vdoeidad de las reaccIOnes qufmicas que tienen lugar en un alimento, tanto enzimáucas como no enzlmáticaS, está en ¡unción de la cantidad de agua disponible. A medida que disminuye la 0 •• la ve . . [ocidad de reacción se va haciendo más leMa, A valores comprendidos entre 0,20,3 cesan completamente. la excepción la conSlltuye la oxidación lipídlca. que es mínima a estos va [ores pero aumenta a medida que sigue descendiendo la 0 .. , Por
4,
5
35
:an,J, la. illm-;¡a. es;:abilida.d de ios aiimentos se da en estos valores, El efectO de la a.. en la viabilidad de los mIcroorganismos y las reacciones de deterioro se e:l:plica con detalle en el capitulo 1l. PenniLeD prever la ti .. de mezclas de dl\'ersos ingredientes. SIempre existe un IOtercambio de ag\!~ de un componente a otro de un alimento para llegar al eqUI' hbno, Las isotermas pemuten conocer la 0 . ce los componentes de la mezcla y, en consecuencia, la estabilidad de cada uno de ellos y, por lo tanto, de la mezcla Permiten estimar el llempo máximo de almacenamiento de un producto en un en\'ue, con una permeabilidad al vapor de agua conocida, en función de [a cantidad de agua adsorbida, Igualmente, se puede'establecer e[ comportamiento de un alimento en distintas condiciones de al macenami!:Jlto, Permi ten mejorar los procesos de con servación basados en la reducción de! contenido en agua puesto que mediante las isotermas de sorci6n podemos determinar cuál es el contenido de humedad reSidual ópúma para un alimento dete rminado, Si la humedad es demasiado elevada el producto presentará menor estabilidad, mientras que si la humedad (¡nal es muy caja representa un gasto adIcional en la ope¡ación , La tacil¡clad o dificultad para elIminar agua de un alimento está relacionadJ con la 0 .. Permiten determinar la temperatura óp· tIma de almacenamiento de productos conge lados, estableciendo una relacIón entre ésta y [a 0 .. , La inmovi!tzación del agua en forma de hielo y el consiguiente aumen to de la concentración de solutos en e! agua no congelada dIsminuye la actividad de agua del alimen to. -
36
'fecnologio de 101 Alimentos
PI Componen/fu de 101 o/imenlOJ y prOCISOI
Bibliogra fio
FE"¡";é::.f,;,, C. i'.. \ ;;Yó): rood Geminty. 3.' cd.
BELlTZ, H. D. y GROSCH, W. (1991): Qu{mIC/l d~ 101 AUmtfllOS. 2.' el!. Acribia. Zaragota. CHEFTEL. J. C. y CHEFTEL. H (\980): 1,,/rodl'C' ct6" o lo Bioquirnic2 .~ TtcnofoJ/o di 101 Allm~,, · ros Vol. I Acribia. 7..au¡oza
MAN. j . M. de (111%): PfI""plu o; Food Chtmistry. Vln Nrulnnd Reinhold. Nueva York.
Mareel Dekker. lnc. Nuevl York.
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"-';'-',,':. "
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RESUMEN
l . El aguo ello IUllcmcio InÓJ obu"donl1 In los Jetes viyo! y, por lo :cnlo, en los olilT.en!ol les propiedades físicos del Ogl1O y del hlllo son mvy anómolol en c()<1'Ip']tocion con 101 de otros IUS' tancios de mOlo m
grt.rpot polo,es se hanon eXpIleJros o lo fose ¡;CUOl:l .4 El contenido de aguo de los al¡mentol es I.InO de los loctorel indivtduoles que mes influye en IU otterobilidod, ounqt.rtl olimenros con el mllmo conlenido en eguo pueden ¡ul'¡t un prOCiSO de eherocion d,l'fln~.
2. rn Isrado r.quido.
J. lo copacidod de es'oblecer enloces de hidrÓSeno y lo polaridad d. to molec-Jlo de aguo hocen de ello un gton c'i~veote I-onlo poro complleSIOJo :6n;cos como no iOnico, de coróerer polor. El aguo d;,~rso tembién molecu1cJ1 onfipOricoJ. for,.,ondo miceJol que Ion agrupaciones ¿e moléculas en lo~ out! los grupC)J h¡d,ófobo, pe" mQnecen oct.rlros en 1cJ eSll'ucl'uro micelor y 101
le de~ne como lo "loción entre lo presión de VOpOl de un produao y lo p". siOn de Wlpor del aguo po.¡fa, o lo miJmo ~mpero luro. te actividad d. aguo derermina el agua qw en un determinado olimenlo le encuentro diipot1i. ble ~ro el Cfecimienlo microbiQoo y el prosr!!iQ di ¿ ¡/&tan:'J fl
5. lo actividod de oguo
6 Lo, ' tocermcu d. tOletÓn de aguo Ion gfoficOJ que relocionon, e unoc lemperOlurc COl1Slonle, el conlenodo en ogua de un a limento con 11,1 activi· dod de agua. uno vez'okom:odo el equilibno; son propiol de codo grupo d, dimenrol y pero IMen e,timor lo e\lobil,dod de un producto fre~ te o los divellos ogentes oberontel.
,
3
LlPIDO S
En el prtsenlt capítulo se ¡¡na(iun Iu principales propied",des de (os (¡pidas de I()$ il liment05, wbrf: todo (as flSic¡¡¡s por su lis que adquieren m~s importanc:iiil en la utiliución e industrialiución de In grasas. Asimismo, se tsfudi;¡n los tralilmi~IOs ulili.u dlH paril su [r.llnsformOl(ÍOn. ¡ inal· mente, se dtlcriben In principales ¡ her¡ ciones de lo~ lípidos que afectan iI los ,limel"llOS, especifiumenle el enranciólm;enlo auloo,.-i
3. 1. Introducción Los UpidO! son uno de los principios inmedla· [OS mis impon.allles de los alimentos debido a
SO:1 rusc.ej:.'ti:les a p:ocescs de; t:ar:s. fonnación estruclural que, al cambiar sus propiedades fisicoq'ufmicas, los haceo mis aptos para determinadas a~liCilciones .
tl) Su !~undanc¡a e:::. gran núme,o Ce aJi·
mentos. muchos de eUos de un gran lote · r!s econó:rJco C::lmo !a le:::he. man:~oui · Ila, margarina y embutidos . b) Su importancia :tutriti~'a, ya que constj· luyen el pnnclpal apone energ.!llcc de la dieta pues facilitan 37.7 Id. es dec ir. aproximadamente el doble de la energia que proporaonaa las proteínas y los ru· dratos de carbono; en el mundo occiden· tal se considera que cubren al menos el 450/0 de las necesidades energ.!ticu Son. además. vehículo de vitaminas liposolu · bies (A. E, O Y K) Yácidos gruos insatu· radas esenci!les; contribuyen it mejorar el gusto y la sensación de sacedad des· pués de comer. e) Ejercen una imponante función en ta es· tructura. composición y permeabilidad de las membranas y paredes celulares Son 10$ componentes mayorilarios del tejido adiposo que sirve de aisb.miento al organismo y como prolección ¡ los 6r· ganos internos contribuyendo. asimismo, a la configuración del cuerpo. d) Por razones tecoológi~:
Dese;::¡pcflan Importantes papeles tecnológiCOS; emulsificantes, l~xturi· ta:"ltes, saborizantes, humectilIltes . transmisión de calor I alta tempetatu· ra. etc El contenido graso de les al¡m~::tos "aria desde valores muy baJOS a muy altos tanto en a hmemos de ongen animal como veg~tal (cua· dro 3.1).
Cu.oDtO 3.1.
Cont....oo ¡'OIoO 0,=<0...'P>Od0 cM aI¡"no. o~_nlO.
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·Gr~i'I
t.pOnogo Ano,
No",
C= (oc:lh~eI
Giroool Ioci. MoIII ..... Ao 0....100 1..1(0 a.... 100 porml_ (",nI
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VOCIlnO
eo.... Ce polo Corno cM cerdo
Ea algunos alimentos se encuentran fOft:\¡,ndo emulsiones. En algunos procesos hay que manlenerlos , en otros eliminarlos y, a veces, hay que modificarlos y estabilizarlos. Entre los componentes de este grupo de principios inmediatos, existen al · gunos compuestos que por su natura· leza anfimica constituyen magníficos estabdluntes. Son susceptibles a fenómenos de dete· nora (enrancia miento y lipolisis) que provocan alteraciones en las caracte · ristlcas sensoriales oe los ahmemos
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La primera dificultad con la que se tropieza en su estudio es su dcfillici611; la mis sencilla los considera como sustancias solubles en éter, cloroformo y dem's disolventes de las grasas, pero eSCilsamente solubles en agua y que con las proteínas y los hidr¡tos de carbono consti· tuyen las estruCIIHU celulares.
;¡:~r.~"'S~ en ?C::;;:.:e~as :e:::i.!i!.~'!S ácidos p. sos de cadena ramificada, de número impar de átomos de cubano, kldos grasos con [ripies enlaces e hidroxiácidos Es t~¡;'.Ie¡\te dhidit los ácid.» grasos en dos gruPOl. ¡,,¡¡tu;.. dos e iOlaturado5~ esta división e$ muy utilizada en Tecnologra de los Alimen· tos ya que la diferencia que exisle en el punto de fusión de unos y otros condiciona de mane· ra impon¡nte 11.5 propIedades tisicu de un¡ grua o un ¡:;elte En los ácidos grasos insatura· dos, el doble ec13ee se pre~n!2 generalmente en poslaón CIJ Otra diVIsión muy frecuente es la relanva a la longitud de la cadena. cona, me · di¡ o larga, si bien esta clasificación no es tan uruyersalmente aceptad¡ como la antenor. Oe· neralme:lte, se considera cadena corea a un nü· mero de atamos de carbono entre <1 y la, cade· na media entre 12 y 14 Y caden¡ larga a más de 16 carbonos
Si ea :iS::i! i:'; d~5.::¡.:ij~ c:.!s 3:1: 1~ ~s $~ clasificación, dado el amplio grupo de sustan· cias heterogéneas que se pueden iocluir b"Jo eSI" definición la duificación más generalWl ' d.. dirnngue dos grandes grupos a) Lfpidos apotares o neutros
b) Upldos polares
Los /{pidoI apolara o fI~r.mOI son ésteres de ácidos iruos coo aJcoholes y ~ tnduyeo en es· te gru¡:o los gbc~:1dos, C!r!S. carote:loldes, ter· penoides y eSleroldes. Los ¡'pidoI polara son SUSlanCla.s que ade· más del enlace éster de 1.. unión del ácido graso y el alcobol poseen otras funciones químicas. Pertenecen .. elte grupo los fosfolipidos , c~re· brósidcs y otros lfpidos complejos como los es, fiQgolfpidos 3.2. Ácidos g rosos de 10$ a li men tos
3.2.' Ácidos grosos Salyo muy raras excepciones. los lipidos de los alimenlOs presentan mayonlanamente áci· dos grasos de cadena lineal y nümero pa.r de átomos de carbono. Sm embargo, tanto en gra ' sas natu rales como en grasas procesadas pueden
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En los alimentos apuecen áCidos grasos sao turados con menos de 2~ titamos de carbono, siendo más frecuentes los que poseen entre 12 y 14 carbonos (cuadro 12)
CUoODIO 3.:1. h,,,,,,po ... 0.:;';0. 11'000' ""..... 0&.0. ;.< __1•• t~ lo. N_bt ......... ~o
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L::s !::~~S :;:,.!!::)s S.!!~:!~OS ~ !:e.co.:e.nte.s son el U.urico (C-12:0), mirística (C- 14:O), palmiti.:o (C-:5:C) i ~:>;d'-;:o (C':S:~), El !::~:> láurico corutituye e! 45·50% de! aceite de coco y e! 45·50% de! aceite de palma; el ácido mirístico participa en un 15·18% en ambos aceites. El áCIdo paimllico se enCUCn!ia en el a,:~¡¡e d~ algodón l22·2o?o), oe palm¡ (~5·~0%) ) en cantidades \'aflat:!les en otras grasas: así, en [as giasas de o~gei1 .!:1!mal oscila entre e! 25-30% Y en [os aceites de pescado llega a[ 15·20% Debido a la intensa hidrogenación en el tracto intes,mal de lo. rumiantes, los ácidos insaturJ.· dos de 18 átomos d.e car;,ono se t.ar:s{oiTn:ln en ácido esteárico que llega a constituir el 30% de los ácidos grasos de los depósitos grasos de es· tos mamíferos Los ácidos grasos de numero Impar de áto· mas de carbono aparecen en pequeñas canti· dades en grasas animales (C·l a C·23), aceItes de pescado (C· l) a C-19) o en grasas vegetales (C·9 a C-23) no superando en ningun caso el 1-2% del total de la grasa.
~~per;>t el (le seis v nonnalmenle no están conjugadas, e: decir, enlre dos dobles enlaces exis:~ , ~! tn~:::i~S_ l!!! g:upo me!lleno (-CH.) La localización de! doble enlace en el carbono 9 en la forma cis es la más frecuente. Los ácidos linoleico, linolén ico y araquidón ico son ejem¡¡lo:; de ::cm?or.~::t~s b.bi:ua!~s de las grasas de :':)5 J.lt:
J.2.2. Ácidos 9ro$OS ;nroturados
La nomenclatura (n - x) se uti liza s610 pa ra los ácidos grasos que contengan dobles enlaces en la posicion CIJ, El ácido oleico (e-IS.!, n - 9) se encuentra en la mayoría de las grasas; es el componente mayoritario del aceite de oliva (72 %), constltu, ye el 40% :le la manteca de cacao y el 35-40% de las ~rasas de ongen Dovino y Ovtno.
de cadena lineal Además de por el numero de átomos de carbono, los ácidos grasos insaturados se di fe· rencian por el numero, localización, configuración y conjugación de sus dobles enlaces. En los alimentos, el flumero de ¡ruaturaciones no
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Capítulo 3, U",dol
.)vn lambi¿r. rr~u!;;:e, ~::;S á~::::.;;. :7:O::~ inulUrados lales como el palmitoleico (C-16:1, 11 - 7) (aceites de ¡>(;;.:aclv y ~üUlias) )' el e.ü~ co (C-2Z:I, n - 9) (mostaza y aceite de colza), Entre los ácidos grasos poliinulurados (PUFA), el ácido linoleicc (C-18:2, n - 6) es el que presenta un mayor lO{~rc:s al tratarse de un ácido graso esencial y es:a' l:nphcado en las re' acóones ce o'(id~cj6n, polim.:rüación y en las Interacciones lipldo-pro.eina, es el ácidv graso predominante en los aceites de girasol (l070%), algodón (45-50%) , maíz (40·60'ro), El ácido Imol¿nico (C-IB:3, n _. 3) consllluye el 5060'0 de los áCIdos grasos de; aceIte de IlOaza y el S-lO% de! ~ceite ce soj!: el ácido anquidómco (C·20:4, n - 6) es mu:' frecuente en el reino animal y forma parte d.: los lípidos consllluyen tes de las membranas .::l ulares y del tejido nervioso.
• 3.3. Coroderist¡cos de los gliceridos Los ¡Iicéridos o grasas neurras son Jos componentes básicos de las grasO!s naturales Estf\Jcmralmente están constituidos por una molécui3 de glicerol (G) en la <¡eJe están estenficados uno (mono glicénd o), dos (diglicéndo) O tres (triglicéndo) moléculJ5 de ácidos grasos Los t:1glicéridos son los más abundantes en la naturaleza mIentras que Ics mono· y diglic¿ridO! se encuentTml e~quo!~as Cl.n!idades tanto en las grasas comestibles como en los l{pidos de los alimentos~ no obstante, su conceofraciór. pued~ aum~i1~ar per acci6~ C~ hidrolaus ,obre los aiglaridos durante la elaboración r conserYa:lÓO de 105 ilimentos. Tanll) 'os mOl\(~ co' mo los diglicéridos son agentes surfactantes, por lo que son m.LIy utUiz&d05 ~n TecnoLogía de los AlimentOS como emulsionante!, La distribución de los ácidos gusos en las diferentes posiciones de los g1icéridos es, m~s que a1~atoria, sel~tiva , Por este motivo, K han emitido diversas teorias para explicar la distri· bución de los "cidos grasos elllos triglicéndos La leorfa d~ la distrfbu.:i6n uniforme mall-
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!::! i::~:! ~:'!.!.:-~ S:::-":!~!S ~ (b!~ buyen en el mayor número posible de molécu· las ;,t : ¿:;..:é':~..;s,';'):, s; :.::; j,::~c g:aso (Al constituye un 35% del total de ácidos grasos, se presentará al menos una vez en todos los trigli. ceridos presentes (GAX,); si se presenta en un }5·70%, aparecerá dos \e~es (GA~X) y si es en Clntldad superior al 70%. se [onn~rán ¡riglicé. ridos simples (GA;) La :eoria de la dll:n!;¡,¡c:6n a! c!ar sugl\~:re que los ácidos grasos se distribuyen en los ghcéndos de (orma aleatoria pero e l contenido en glicéridos saturados debe ser compatible con la fluidez de los lípidos in ~i ...o, Despuh de esta te oria se emllió la hipótesis de la distri. bución al azar tipO 1-),1 en la que se supone que las posiciones 1 y J son equivalentes y es· tán ocupadas por el mIsmo ácido graso situado al azu en dicha pOSición. y la posición 2 esta· ría ocupada por ácidos grasos tambié ll diS' puestos al azar; esta teoría es la que más COncuerda con los datos que se ootienen expen· mentalmente. Finalmente, para grasas animales se ha propuesto la teoria. de la di.JtrcbuCIOI1 01 o[,or res(fUlgido que se basa en Ires supuestos: mol~culas de ghcerol son igualmente reacti.,.as b) Los áCidos grasos se encuen tran en equilibrio dinámico. '") Es necesario mantener en el organismo la grasa en estado flUido.
a) Todas las
Segun eSI3 teorla, los 'cidos grasos saturados se distribuyen en los glicéndos de (orma. aleatoria pero, con frecuencia, (¡enden a dlS' minuir por un intercambio entre ácidos grasos sal;::-~Y.: ( ~~ :..uaaUU"!dos (1). El resultado de tales sustituciones es el aumento de GS1I y la disminuci6n de es). GSI l y Gil en unos por· ceorajes superiores a los esperados en una distnbuCl6n .1 atar Así, basta conocer l. canti· dad 10lal de áCidos saturados y [a caotidJld de GS. para calcular los porcentajes de los otros tIe; tipos de g.hc~ridos.
3 .4. Corocte risticas d e los fosfolipido$ Son lipldos complejos que contienen fósforo y poseen, como nüc!eo, una moltcula de glice. rol (fosfoglictndo) o esfingosina (esfingoICp¡· dos); estos Illtlmos tienen poca importancia en los alimentos. En los fosfolípidos es muy freo cuente la presencia de 'cidos grasos losa tu· rados y su dismoución en la moltcula no es aleuoria, )'a que los ácidos graS01 inulUrados ocupan preferentemenle la poSición 2 y 10$ sa· turados y monocoOlcos, la posiCión 1 Los fosfogilchldos son elementos Impor· tantes de la men:!:Jra:13 ~!ula:, de los lejdos ). órganos del Sistema nervioso y de los compo· nentes de la sangre Normalmente se encuen· tran unidos a proteínas formando hpoproleí. nas, lo que obliga a una desna turalización de las mismas en el caso que se precise extraerlos Es muy frecuente la oxidación de los ácidos grasos I/l$11UradO$ de Jos toslOJíPldos, partlcu· larmente en cames y pescados, Siendo esta oxi· dación preYia a la de los tnglicérid05. Los los· folfpidos con grupos amino libres pueden partl . cipar en los procesos de pardeamiento no enzimático al reaccionar con aldehfdos dando lugar a polimeros. bases de $chi!! ~ productos de esciSión que, en general, presentan fluores. cencia al ser excitados por [as radiaCiones ul· trayioletas, En ttrminos gene rales, Jos fosfollpidos se encuentran en todas las grasas y aceites apare, ciendo en menor cantidad en las grasas anima·
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les de depósito, Son moltcuhu an.fif:íLicas, por lo que pueden umrse al agua y separarse del resto de los componentes de la grasa. Los !osfollpidos mis imponantes en los ali· mentas son la fosfatidilcolma (lecitulI), fos fati· dilserioa, fosfatidl letanolamina (celalina), fosfa · tidilmO$itol y dlfosfatidilglicerol (cardioüpina).
3,5. Frac:cion inlopon ifi cable ESIa fracción estj cotuutulda básicamente por esteroles, terpenos, alcoholes alifátlcos, es· ctlaleno e hid~ocarburos (cuadro 3.::). Ea la mayoría de las grasas el componente mayoma· rio de esta fracción son los ~$tero!es Las grasas ammales contienen colesterol y, en algunos ca· sos, peque/!.as cantidades de otros estero les co· mo el lanosterol. Los esteroles son compuestos que conllenen un nuc!eo clclopentano·perhl ' drotenantIeno que es comun a Otros muchos compuestos naturales como los ácidos biliares, hormonas y la vit.1mina O; tienen UD elevado punto de fusión y poseen una estructura plana eon una configuración (,afIJ . En las ¡rasn na· turales, pane de los esteroles se presentan co· mo tsteres de ácidos grasos; por ejem?lo, er: la leche en lomo a un 10% del colesterol se pre· senta esterificado. Los hIdrocarburos presentes en las grasas son miembros de las n·parafinas asi como de hu parafinas de cadena ramificada de configu. ración íso ya/lttLSO.
Alcohole, ol;!ó!ico,
','U.c , ' ,0 7,2 2,1 2,'
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Ev.roIoo,
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Copirulo 3 UpidoJ
3 .6.
~ropiedCldes
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Muchas de las propiedades runaonaJes de las grasas que se utluzan en la elaboración de mar ga."l."\U, g~~S!S emulsionlbles o emul5ioo~s ojep~!lde:'! ~= h. ~5:~';t\.l:a y p~o?ledad~! físi:a! de los Hpldos. las cuales dependen a su vez de la compcslción química de SU5 l!lol!cu!~
3 6 , Po;,nomsmo Las grasas se diferencian de los aceites en el ¡¡ado de soh
43
puede obtenerse a partir del atemperado por encima del punto de fUSión de la forma a. o bien a partir del triglicerido fundido manleniendo su temperalura Justamente por encima del punto de fusión de la lcona a. Cada una de estas formas oresenta su punto de rusión. su patrón de olfusión de rayos X y un espectro infrarrojo típi.::o En la foona 0., los cmtales son de tipO hexa . gonal y se orienta.n alutoriamente en el espaCIO La forma~' presenta cristales ortorrómbi. COI onentados en direCCiones opuestas. En la forma /3, la mib euable, los cristales eSlio orientados en el mismo sentido \. el 1100 de CrIStal es tricíchco, •. EXisten algunas formas relacionadas con las anteriores que. en general. son menos estables; son las formas sub-a, \-ftrea }' la 'Y. y se originan I tempe ra turas muy bajas El estudio de los triglicéndos por difracción de rayos X ha demOStrado la eXistencia de los denominados espaclol corrol }' ~spacios largos Los espacios cortos cotTesponden a la anchura de las celdas de la red; IOn indepen
Temolog;o de lo. Alim~nlo~. PI Componlln/fu de lo. ol;mlln/o. y proceSO$
44
1,
1,
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Cristales tipo
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Cristales tipo ¡S' mapasón
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s~ c')i.S¡':~~l ':Ji7.J pu;",:~ de r-J:;ión de una grasa el punto de fusión de la fo:ma pOlimórfiea más estable (P) en un capilar abierto, y corresponde a la temperatura a la cual se fun· den todo:> 10$ sólidos. La presencia de áCidos grasos dt: cadena cotta o tnsannaoos Ilende a bajar el p¡,;n,o de fusi6n y, yvr ello, los aceites \'ege!a!~s, r:~os ~n ácidos g.asos insatu¡ados, son liquldos a temperatura ambl
FIGURA 3.1. O rdenomiento de lel moleclIlos en \/1'1 crisiol de \/1"1 rriglicerido.
3.6 3. Viscosidad t:studios realizados con microscopia de luz polarizada revelan la e:
Es una propiedad de gran ;nte rés en el procesado y manipulación de las grasas y debe te· nerse en cuenta cuando se designan slscemas de manejO para las mismas. La viscosidad de una grasa se debe a la fricción interna entre los Jípldos que la consl1tuyen . Debido al ele· vado número de moléculas que forman una grasa, la viscosidad es, generalmente, alta. Varia con las earacteristicas de los ácidos grasos. Asf. aumenra al hacerlo la longitud de la cadena de los ácidos grasos componentes y disminuye al aumentar el grado de lOsaturación. Por ejemplo, la tricaprina (C-6) presenta una viscosidad de 50 cP mientras que la de la Inesleanna (C·18) es de 14, 31 cP.
Capi/ulo 3: l¡pide»
Como calor (~¡¡éc¡fi.;;o se .:o¡¡sióera ia .:a;¡tidad de calor que hay que 5uminiHrar 3 una unidad de masa de una sustancia para incre · mentar su temperatura en un grado centígra· do: se expresa en kIlkg oc. Las propiedades t¿rmicas de las grasas tienen gran Importancia en su ma:lipulacl6n y procesado y en el estlJdio de los cambl05 de fase. Es'a.> propiedades varian de unas grasas a otras debido a su dIferente composici6n. Las propiedades termicas de una grasa varían también dependiendo de las formas polimórficas y de las cantidades relall ~'as de sólido,! Hquido ?resentes, La varia· ción del calor específico de diferentes grasas es muy ligero, debido a que los Irig!icéridos más comunes tienen un calor específico muy similar. El calor específico aumenta en función del ¡rado de insaturación de los ácidos grasos ¡anto en estadO sólido como en liquido; es unporlante señalar que el calor especifico de las grasas líquidas es el doble que el de las grasas sólidas y también que las formas o. presen:an un valor superior al de las ~.
3.65. Color latente de fusión Es el calor absorbIdo por uo.a muestra de grasa natural :a t~mperaturas inferiores al punto de fusión, pero supo::riores al de solidúicación completa; está. por lo tanto, en función de los calores espedf:co5 ée la f3S! sólida y líqméa y viene expresado en kJl\cg .c. Estos datos calorimétricos se utilizan para estimar las canlldades relativas de wlido y liquido en las grasas comerciales. El calor latente de fusión aumenta al hacerlo la longitud de la cadena. El de la forma cr. mestable es mucho menor que el de la forma ~ estable. Si se deja en reposo suficiente tiempo una muestra de grasa en forma cr. o se eleva lentamente su temperatura, se convierte en la forma estable ~ liberando calor.
45
El ¡¡",ji.:e .je ~~fr.;..:~6n de una SUStancia (n) viene dado ror la relación entre la \'elocidad de la luz en d aire (1)) y en el material que se anahza , en e!,!~ caso, de una grasa o un aceite ( 1>')
n = 1> I y'
El índice e,: refracción de una grasa aumenta al hael:rJo la longitud de la cadena y también con la ¡nsalUración y por eUo ie correlaciOna con el jndie.! de iodo y s~ uulita para controlar el proceso de hidrcgenación. El índice de refraccióo. disminuye al aumentar la temperatura; asi. a temperaturas próximas a 40 ~C suele di$minuir O,OOOJB por cada oC de aumento.
J.Ó 7. Oensidod
Una de las propiedades tísicas de mayor interés sobre todo para el dis.!ño de técnicas y aparatos con los que se procesa una grasa es, sin lugar a dudas, la densidad. En la actualidad, su aplicación más importante es para determinar la relación sólidoilíquido de las grasas comerciales. La densidad de las grasas sólidas o líquidas es bastante constante para los diferentes tipos de triglicéridos, pero la diferencia es grande entre el es:ado sólido y líquido; asr, el volumen de la manteca aumenta el 13% al pasar del estado sólic(I al !iquido. Este cambio de volumen es el que se utilita para detenninar el contenido de sólidos en las yasas parcialmente fundidas --P'
qu!. U.!l.:Q ~J s6!!¿~ co:;:¡c : : líquido di!¡,t¡,n a una velocidad constante e igual, es decir, que las Il.oeas de :a plka ~;1'~SiXr¡¡dieotes al producto sólido y al liquido son rectas paralelas.
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TltnDlfatura FIGUIU. 3.2 Curvo o,lofOtnernco d~ lo fuJi6n mezclo de g~céricol.
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También cOnviene apuntar que todas las se expanden en la misma magnitud al pasar de sólidos a líquidos. Si todas estas suposiciones son v¡lidas. todo aumento de volumen que exceda al que corresponde a los sólidos ~el indicado en la línea de sólidos) tiene que deberse a la Iransformación de sólidos en liquidas y será directamente proporcional a dicho cam· bio. Por lo tanto en cualquier punto de la curva (X) se cumple que: gra~s
% líquido =B;AXlOO
% sólido =
~ x tOO
Estos porcentajes no son totalmente exactos pero si se hacen varias tleterminaciones y se SIgue un proceso normalizado. se obtiene un valor repetitivo denominado {ndice de conl~nido en só{¡dos muy útil a efectos de control.
.io.o, mo./ldod
La solublhdad de las grasas tiene gran importancIa a efectos del procesado. En general, las grasas son totalmente miscibles en disolventes apolares tales como éter de petróleo, bence:· no y éter eCOico: son rotalmente i.ruoluble~ en dISolventes polares como el agua y parcialmente solubles en disolvent~s de polaridad mter.nedia como el alcohol y la acetona. Estos ultimos disolvenles son u1iles para separar los componentes de uoa mezcia de gruas. La solubilidad de las grasas en .solvenles orgánicos deSCIende a medIda que a\!rnenta la longitud de la cadena y el g.-ado de samra:i6n. Esta diferenCIa en la solubilidad se utiliza como base pafa el fracciona· miento de las grasas y, en consecuencia, la sepa· ractón de la grasa sólida Los fos~olfpidos pueden interaccionar con el agua en ciena parte de su molécula ya que el ácido fosfórico y los alcohole~ que los fo~man !Jenen grupos hidrófilos, por lo que los {os{olípidos tienden a colocarse en la inlerfase . En general, la tensión superficial aumenta con la longllud de la cadena y desciende eon la temperatura Tanto la te nsión superficial como la inlerfacial se reducen !ádlmeme ::on el em· pJeo de agentes surfactantei ':.1mo los monogli· céridos y los fosfolipidos.
J ó.9 PlosFcidod Es la propiedad que tiene un cuerpo de na;;tene. su forraa resistiendo una presion que no alcanza un valor determinado. Dependiendo directamente de la plasticidad está la extensibilidad. La plastIcidad de una grasa se debe a la presencia de una red tridimensional de CflStales en cuyo Inlerior se encuentra inmovilizada grasa líquida. El carácter plástico depende de la relación 5ólido/líquido y de lo apretadas o enteras que sean las redes cristalinas formadas por la porción de grasa que se encuentra en es, toldo sólido. Para que una grasa sea plástica y extensible tiene que hilber una relación o pro-
Copitula 3: lipidoJ
porción entre la parte sólida y la líquida (20. 4-8% de goasa. eil es:ad.J sólid.J), 5;!$ .:ns;:aIes deben estar en forma a y las redes no deben
estar demasiado apretadas. Las grasas plásticas se comportan como un sólido hasta que las fuertas deformantes que se aplican rompe n la red cnslaima y es en este momento cuando la grasa se comporta como un líquido viscos.::> y, en :::onse~uen:::ta , se puede Wllar
3.7. Tratamientos de modificod on de les grosos Los principales tratamientos que se aplican a las grasas con el fin de modificar su composl' ción y estructura son tres: hidrogena:::ion, transo esterificación y fraccionamiento .
1.7
bitn seco y no contener ni amonraco, ni azufre: ca,; el catai:zador deoe sr.r activo durante tiempO, presentar la selectividad requerida y ser fácil de eliminar por filtración. El mecanismo implicado t!n la hidrogenación de una grasa conSiste en la reacción de un aCldo graso msaturacio y el hidrógeno atómIco adsorbldo en el cataliz.ador metálico. El esquema de 12. reacciÓn se pr~se :lta en la figuid :;.3, en la que S representa al suStrato graso, M al :::atalizador metálico y H al hidrógeno . Los c.:)mpuestos intermedios 1. 2 Y 3 son inestables, de vida cona y es mu) difícil su aislamiento. El rendimiento de la reacción derende de la natu· rale1.3 de la sustancia sometida a tratamiento, de la naturaleu y concentración del cataliudor, de la concentración de hidrógeno así como de la temperatura, presión 'Y grado de agitación (cuadro 3.5). Generalmente la grasa no se hi-
,ú
3.7. ¡. H.ÓrogenociOn La hidrogenación de las grasas es una reac· ción química que consiste en la incorporación de hidrógeno al doble enlace de los ácidos grasos ¡nsaturados. Esta reacción es de gran lmponancia en la industria porque ~rm l te la conversión de aceites en grasas plásticas utili· zables en la industria de elaboración de margannas y grasas emulsiona bies (shonenings) Tras la hidrogenación, las grasas mejoran su color y son menos susceptibles a la oxidación por lo que son más estables. En la práctica comercial, la hidrogenación se reahza mediante una fuene agitación del aceite líquido en presencia de una determinada cantidad de hidrógeno gaseoso y un cataILzador solido en tanques cerrados a una presión determinada (3·7 kycm 1) y a una temperatura que oscila entre 100·200 "c. Aunque la mayona de los procesos industriales utili13n nrquel como catalizador, pueden usarse tamo bién cobre, platino y paladio asr como cromo, carboni!os y pentacarbonilo de hierro; las dosis utilizadas OSCilan ent re 0,05 y 0,2%. El aceite de parlida debe estar refinado, blanqueado, se· co } sin jabcnes; d hidr6g~r,.J deb~ es:ar tamo
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48
recnologio de 1m AlimeNOI (11 Compotlltlllel
parcialmente hidrogenadas. i..a í~a';;Cl0¡¡ de hidr0gena,::ión se Contf.:l;3 usualmente midiendo el fndice de refracción que está relacionado con el grado de satura· ción (vtase 366). En la illdrogenación, ademas de la sonu!a· clón de los dobles enlaces, ocurre una lsom:::n· zación, ~s de.:ir, una !eo!ganiza~ ión de la es · !ructura mole..:ular de los aciduS grasos Ifll.:iales en los cuales se modilica la confIguracIón tU (Inestable) a ¡rQItS. EH~ cambio tIene una re· percuSión nutrl;:ion31 )'a qu~, entre oltas cosas, se produce una p¿rdióa de: 105 ácidos grasos esenciales y, por lo (anto. será !!:ecesano repo· nerlos para que el valor nutntlvo sea el ade· cuado Por otra parle, hay que tener en cuenta que los ácidos gra50s imaturados son uuhtados por el organismo humano como mllenal bioló· gico indispensable para la formación de las membranas celulares; al estar en una configd· racIón dI/eren/e a la que se encueOlra en la oa· turaleza, obviamente no son de utihdad biológica y aún más, pueden s~r consIderados como moltculas e'(t ra"as capaces de interferir en el organIsmo con determinados procesos metab6· licos, Además, los isómeros trafU se melabali· zan más lentamcnt~ '! se fijan pre!ere!ltemente en el tejido adiposo provocando un aumento del 50"'0 de los niveles de colesterol senco (au· mento del colesterol LDL) comparado con el Incremento sufndo con uea diela saturada. en consecuencia, son responsables de sobrecargas ILpidlcas en el mIOcardio yen las paredes de los vasos en IJs enfermedades cJrdiovlsc:.!lar!s. En la actualidad se uende a Imutar el contem· do de estos Isómeros en algunos productos, co· mo en los alimentos infanu!es, aceites de con· sumo y chocolates, Existen dos tipos de hidrogenaciones de· pendiendo del destino de la grasa relultante: Q) Hidrogenación ulutiva. ~I ttmuno u·
{ecnvo se refiere a que el tudrógeno sc in· corpora primero a 1m ácidos grasos más insaturados. El proceso es ta.nto más sc·
rJ~
lo, oIimerllOI y prOOtOI
menor es la presión aplicada y la agita· ':hin de; '>lstem ... i..\)i ¡;¡':eHC" o1\,Jrogena · dos son más resistentes a la oxidación d~· bido a que se hldrogena preferentemente el ácido Imoltnico. Por lo lanto, este pro· ceso se nace ptLoclpaimente para reducn el conlemdo en ácido !molemco }' aumen· tar asi la eSlab!i¡dad de 13 grasa Los ClI~· h:t.adorÍ
Capitulo 3' Lipidoi
3.7,2. irom!weniicacion í;n¡ere~renñcoci6r" Las carac!elÍ$t.cas úSlcas o~ una grasa oependen en glan medida no sólo de las ácidos grasos constltt yen tes (longitud de cadena '1 grado de sateradón) sino de su distribución en la moll!cula del (riglicérido. Por lo tanto, el patrón de dis¡rib\,..:ión original de los ácidos grao sos de algunas grasas .. a:urales hr.1lta su miEz.]· ción industnal. Con el pro;eso de Iransesteriricación se consigue mod.;icar la posición de los ácidos grasas entre dil'crente$ posicIones hidroxtlo 'la sea en un m:srlo trigltcétldo (tra nsestertiicac:6n int~amob-ular) a en!,: tnglic~ridos diferentes (transes,enficación intennolecular). Se (rata, por lo tanto, de una redistribución al azar que mejora la :onsislencia y utilidad de tales grasas. Por :1Ic, esta reacción se usa en la industria para m('dificar el comportamiento cristalino de una grasa y sus propiedades fisicas . La transeste,,/ícación se produce en presencia de variDsc..ataliz.adares tales como estaño, plomo, cinc, cadmio o con metales alcalinos o alcalinolérreos, siendo muy efectivos [os alcoholatos, amidas e rudruros a una concentración de O,! a 0,3% El ~o de calalizadores ¡>emute complet3.l la r~lcci6n en poca tiempo (30 r:1ln) Y a temperaturas ta.n bajas como de 5O"e. Sin ellos, se trabaja a temperaturas entre 100 y 160 oC durante más tIempo. S} s~ efecul..:! e:l I~ condiciones má5 adecua das, (-a dlStribución de los ácidos gras~ en los ttigt;ctnOOlo se t:.ac: totalmente al azar y, en este caso, se f'.m r.an 6 posibles tnglicéridos cuya '"Proporción puede calcularse malcmallcamenle (combTnaciones de" demento~m am )
s-SOS (12.5'10)
$-I-S
I-S-S
(\2, S%) (lS,O%)
S-I-I
I-S-l
1-1-1
(25,0%) (12.5%) (12S,,")
La transesterificaclón al~aroria o no dingida se uuliza básicamente para:
49
.:) \~~~:::;:!~ e! :~:::e:::~: ::: :~:61:~¿:;;!,:,s
sólidos de algunas grasas y par lo tan to de ;;u ,:on$¡~:er..:ia a óisü"tJS tempera. turas b) Preparar grasas s6lrdas ricas en ácido linoleico' para la fabricación de margarinas. La Hansestuificación dirigida se realiza mantemendo la gras:! por debajO de se punto de fusión, lo que conlleva la crlstalizaci6n de los tnglicéridos salurados; asf se facilita su separación de la mezcla. Los nue'.QS Iriglicéridos salu rados que se van f,:,rmanclo cristaiizan y precipnan continuando el proceso hasta que precipite la totalidad de los lriglicéridos saturados. Si la grasa angina! es un aceite que contenga una cant1dad considerable de ácidas grasas saturados, este método factlita su con versi6n en un aceite con la consistenCia de una grasa emulsionable (sho rltn jng) sin necesidad de recumr a la bid rogenación o a la mezcla con grasas duras. El proceso de transeslerificación se utiliza ampliamente en la elaboración de shorul1il1gs a partir de manteca de cerdo, La manteca, debido a su alto contenido en glicéridos salurados, forma grandes cristales, por lo que los short<:mngs hechos con manteca naru ral poscen estructura granulosa y son de dIficil manejo en bolleria o en la elaboración de helados. La tra nsc$terificación consigue mej ora r sus carac· lerísticas plásticas y sus cualidades emulslonables, haciéndolas adecuados para su utilización La transesterificaci6n permite preparar también mono- y diglicéridos; para ello se trabaja en presencia de un exceso de glicerol a :!2C ·C : ..;0 vado (l t:::n un gas inerte. Los monoglicéridos así oblenidos se utilizan ampliamente en las alimentas como agentes emu!sionantes. El tratamlenlO de tran$e.S(erificaciÓn no modifica los ácidos grasos, es decir, IlO apareceo isómeros trans, por lo que se prescala como un buen sustinllo del tratamiento de hidrogenació(l..
No OlXta..D.te, el cambio de posIaón de los ácidos grasos sobre el glicerol puede cambiM la dl~esti lnhdad del mghcendo y, por lo tanto, la absorcIón de cada uno de los ácidos grasos_
3.7.3. Fraccionamlenlo
otros, el ácida liDoleico (esencial), y algunos de los productos resultante! d~ la r~a,=ció!! SO:J potencialmen t~ tóxicos. El enran·ciamiento límlla el tiempo de conservación de muchos alimenlos ya que puede desarrollarse aunque tengan tan sólo UD coateoido graso del 1%. La oxidación de le gr~a se conoc~ tar:-:.t:itn :0::10 ouroQxidoción o enrallciamiefllo aUlooxidanvo
El fraccionamIento permite separar una grasa en iracclOnes de propiedades físicas diferentes. Estas fracciones se denominan: oldllllJ si son líquidas 'f t.Slearillos SI son sólidas. Con este tratzmiento se modIfica la relación sól!o dofliqUldo de una grasa, po. lo que se puede conseguir una plasiicidad d~tem'jn2da. El frac· cionamiento conSIste en hacer cristalizar una grasa a baja temperatura y eliminar posteriormente, por filtraCIón o centrifugación, 105 tri· g [i c~ridos de punto de fusión relativamente elevado, 105 cuales podrían, por ejemplo, alterar los aceites al cristaliz.ar durante su almacenamiento. La velocidad de enfriamiento es importa.nle porque cond iciona el tamaño de los cristales de los que depende la relación sólidollíquido de la grasa. E l fraccionamiento puede acelerarse me· dlante. la utilización de detergentes o disolventes orgánicos Este proceso no tien~ ningún efecto sobre la calidad nutricional de las grasas siempre que se elimine el disolvente correctamente del produclo final. Con esta técnica se Iratao los ace~tes comestibles (girasol, mafz), sobre todo los utilizados en la elaboración de mahonesas, donde una cristalización podría romper la emulsiÓn.
3 .8. Enranciamie nfo autoQxidativo El enrancia miento aUlooxidativo es una de las p rincipales reacciones de dete rioro de los alimentos ya que conlleva la aparición de sao bores y olores anómalos conocidos gen~rica· mente como a ,ancia. Además, esta reaccIón de deterioro provoca un descenso del valor nu tritivo del alimento al verse implicado. entre
decido al carácter a!Jtoliti:o del proceso. Los principdes sustratos de esta reacción son los ácidos grasos msaturados)'a que los dobles enlaces son centros activos que pueden reaccionar con el oxí~eno l os ácidos grasos insaturados se oxidan a mayor velocidad cuando es~ár, libre~ que cuando forman parte de triglicéridos O fosfolípidos, Influyendo también el grado de insaturaclón en la velocidad de la reacción. Otros sustratos, como el escualeno, los carotenoldes J las vitaminas A y E, pueden también sufrir reacciones análogas de oxidación, por lo que este proceso suele ir asociado a una pérdida en el color y en el valor nutritivo como consecuencia de la pérd ida de ácidos grasos esenciales. El efecto nocivo de las reacciones de oxidación de 105 lipidos se puede minimiz:ar basicamente con retri~eración, envasado)' aimace· namiento correctos, aunque las reacciones no llegan a detenerse por completo ya que la aUlooxidación requiere una energía de activación pe~ue;'¡.l (16·"20 kJ:¡¡;olj.
30.1.
~eocciOlle5 o'e 01lio'OCIO" de los
¡ipidos
Las reacciones de autooxldaclón pueden dividirse en tres etapas: lOiciación, propagación y terminación. Salvo el comienzo de la reacción, las tres etapas mencionadas se desarrollan si· mUlláfltaml!nlt. En las reacciones de iniciación se forman radicales libres a partir de los ácidos grasos ¡nsaturados que se combina n con el oxigeno dando peróxidos hpidicos, en las reaccio· nes de prOp(1g(1C1Ón se acumulan los peró¡¡idos, siendo en esta etapa en la que se o-:!dan la: m~·
Copirvlo 3 UPfdos yoria de los Jípidos insaturados; en las teaccioocs ;:le '!nr.:n:::::~r: les :IH:!ica':¡ t:~r:s prOC:~~:I les de la éles.compo1lción de los peró xidos hpídioos se asocian formando com¡:uestos no radicales de baja masa molecular (aldehídos, celonas, lactonas, ácidos grasos de ca:lena cona. elc ,) que sen los responsables del olür a rancio.
51
Bimofecular (Ea .. 105 kJ I mol)
aoon: .,. ROOn .... RO ' - aoo' .,.
n:p
En tod o proceso de iniciación se originan dos radicales libres. cada uno de los cuales participará después en la .reacclón en cadena.
B) Fase de prop;;.¡a.ciór.
A ) Fase de iniciociÓn
La absorción de oxigeno por parte de los ácidos grasos ¡nsaturados e:óge 12 Hlte rV:nclón de radicales libres: esto exphca que al dar comienzo la oxidacaón e)tista un período 10Icial de indUCCIÓn en el que ~ alcJ.nza un de terminado ni vel en la concentración de radicales li · bres. En esta primera fase o Iniciación primaria, el ácido graso ¡nsaturad, ) (R H) cede un protón en el carbono a- metilénico y se convie r· te en un radical libre. RH ..... R·+H· nodiull ;lkoilo
RH + O2 ..... ROO- + H" rad,ul perOl'
Estas reacciones tienen una elevada energía de actl\'aclón (145-270 kJlmoll. Jo que explica que sean dIfíciles de lIIiciar de forma espontá · nea, Para su desarrollo se precisa de tempera· turas elevadas y catalizadores, sobre todo de luz y la presencia qe ciertos metales (cobre, hierro. níquel, coballo y manganeso) o melalo· proteínas con un grupo hemo. Cuando la reacció n a va nza y a umen ta el contenido en peróxidos. surge la inlciaci6n se· cundofla, en la q ue comienza la descomposición de los peróxidos que puede ser mono- y bimol~Clllor dependiendo de su concentración:
Monomoleculor (Ea .. 85 kJ I mol) ROOH
--J
RO' + H'
ROOH...:. R' - HP
Una vez que se han formado 105 radicales h· bres. és.os s.e combinan con ei oxigeno dando lugar a más raóicalej peróxido que pueden 5US· traer hidrógeno de otra molécula insaturada rindiendo peróxido y un nuevo radical libre, comienza así la fase de propagación. E5ta reac· ción puede tener lugar cientos de veces y tiene la natu ralez.a de reacción en cad~n a:
R' +
°
2 ....
ROO '
ROO'.,. JtH-t ROOH + R' La e nergía de activación se sillia e n lomo a 12·20 kllmol. La propagacIó n se traduce , por lo tanto, en una ox idaCIó n de lipldos insaturados dando lugar a perÓXIdos de una foro ma paralela al consumo de oxígeno gaseoso. Al pnncipio se acumulan los peróltldos pero dada su naturaleza Ines tab le se van descomponiendo, por lo que su con tenido fina l termIna por desce nder; como consecuenCIa, el {Ildice de p~ró.údoj , prueba utilizada para delerminar el grado de enra ncia miento de una grasa , no constituye una med id a efectiva del grado de oxidación excepto al pnnciplO de la reacCIón . Como resu llado de la descomposicIón de los peróxidos se o b tienen hidrocarburos y ácidos grasos de cadena cOrla . radicales libres y compuestos volátiles tales como carbonilos (aldehídos y cetonas) q ue son los responsables del olor a rancio; algunos (hen nal) se detectan a concentraciones muy bajas y Otros (malonalde hído) se val oran- frecuentemente con el ácido tíobarbiturico (prueba del TBA) como índice del grado de enrancia~Ie~to c!~ :!n~ g~¡H:!
52
Tecnología de lo, A/jmeflloJ.
(IJ Componen/es d" lal
Las reacciono!s oe propagación son reacc~o nes muy rápidas, ya que los radicales libres farmacias son muy reacllVos; por [¿nnmo meciio, cada radical libre provoca la form ación de 10100 moléculas de peróxidos en el caso de los 1[pidas puros. Es imponante lener en cuenta el elevado consumo de oxigeno que [ien~ lugar durante esta fase, ya que si el apone de oxígeno no es limitado. 50!: puede llegar a la oxidaCión de la totalidad de los áCidos grasos insaturados.
alimental y proc"JoJ
ei proceso se da por corlCLuioo, sien' o necesa· rio que se produzca una nueva reacción de iniciación para que conllOue la o:odacIÓIl. El proceso puede res umirse como se muestra en la figura 3.4, en la que se repesenta el consumo de oxigeno en función del tiempo en tos tipidos pu ros (por ejemplo. un aceite o un Sistema teórico) y se observa cómo todas ¡as reacciones ron Slmult.1neas en el ¡iempo.
3.8 1. Focto(~S que inlefYlenen en la oxidación de los lipido, de lo, alimentos
e) Fase de lun:tna(IÓn
Al mis:no lI~mpo que 1.:!5 re2ccior.~s de iniciación y propagación se pueden producir las de terminaCión, que consisten en la reacción entre compuestOS radicales dando lugar a productos no reaclivos B.isjcam~:l!e las re3.cciooes que pueden ocurrir son las sigUientes:
W+R'--tR-R R- + ROO' -t ROOR R" + RO- -jo ROR n ROO' --t (ROO)~
A partir de este momento, y si no existen radtc!les para reaccionar con el oxígeno,
m~s
En primer IUg::f es iW.pO!U~é! sabr que si hacemos una comparación entre la \ctocidad de oxidación de los ¡ipidos puros y la de los ¡ipidas presentes en [os alimentos, se observa que en los al imentos la fast d'! indLocción es mucho más corta e incluso inexistente:, ya que en eUos se detecta siempre un conlenillo inicial de peróxidos así como trazas de metH{es (por ejemplo, en mo¡¿culas con grupos hemo) que pueden actuar como catalizadores de la oxida· ción. También es impoflante tener en cuenta que la ~tiocidad de consumo do: oxígeno en los ahmentos es constante durante un largo periodo d:: tiempo.:o que hace que el enranciarrue:¡·
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BlmoIecular
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FIGURA 3 .4 . Curvo de cOrlwmo de oxígeno durente ,,¡ procelo de enrorlciomienlo de los lípidos po.¡ros.
Capilulo 3: tipidoJ
tO aparezca mas taroe que en ios ¡ípioos puros (figura 3.5). El componamlenw de los I¡pidos oe los alimentos rrente a la oxidación presenta una gran variabihdad debido a la influencia de una serie de faclo res que a continuación se detallan: a) Cantidad de oxigeno presente: es e\·iden· te que la oxidación de la ~rasa no tiene lugar en ausencIa de oxígeno (o aIre). Por tan to, cualquier proceso que se apllque con el fin de disminuir o eliminar el oxígeno en los alimentos, sera dectivo pa.a pr!\emf la oxidación. b) Co:n¡>osici6n de !J grasJ: el grado de insaturación y el upo de ácido graso insaturado influye notablemente en la reacción. Así, los ácidos linolcico y linolénico se oxidan 64 y 100 vcceJ más rápido, respectivamente, que el ácido oleico. e) Exposición a la luz la luz. mediante la actuación del oxigeno en single te y las (adiac¡onc~.De longitud de onda cona o de alta intensidad, son potentes aceleradores de las reacciones de oxidación y por ello, en la medida de Jo posible, debe evitarse su incidencia directa eo los alimentos sus¡,:~ptib!es a 13 oxidación me·
53
diame, por ejemplo, la utilizaciÓn de plásticos transparentes. d) Temperatura de almacenamiento: la t!!mperatura influye notablemente en el pro· ceso de autooxidación. Así, cuanto más alta sea la temperatura mayor será la velocidad a la que se desarro!\a la reacción. Por cada 10 oC se observa cómo se dupli· ca la velocidad d~ reacci6n del oxígeno con la grasJ., No obstante, tambi¿n pue· de desarrollarse a temperaturas de refrigeración y congelación. !) Grado de dispersión de los lípidos: se ha comprobado que una superficie proteica r~taida la o:l:idación, mientras que una glucidica la acelera. .~ Naturaleza del material utilizado en el envasado de los alimentos. ,O La acti\',dad de agua de la que depende la actividad calalftica de los metales. Asl, el riesgo de OXIdación aumenta a medida que lo hace la Q .., siendo mirumo a valores en torno a 0.2. h) Presencia de agentes pro- y antioxidantes de forma natural: entre los prooxídan(eJ se enCl!!!nlran, ademh de los metales. los grupos hemo de las mol¿culas de miog!obln:!. y enzImas como las hpoc.:l:i-
• L/pidas de lOS
.hmenlOS
, ,
I~ FIGURA J.5. Ccmporoc:i6n enrre el COllsumo dI! oxigeno duron l!! lo de lipido$ purC$ y de lipidos de los olirMnlO$.
o~ ido( lón
dasas. El cobre y el luerro JOn calahu· d~~~~ ::-:::!!I:::S =:!:.:y a::i\'os, il:'::!:~::~':: .Cluat de forma impon.nte a concentra· clones de 0.002 ppm (Cu) O 0,5·1 ppm (Fe), Las trazas de grasa OXidad. aClúan tambl~;¡ como cataliz.adores), por lo lante, la l:m¡;¡¡=u j : las ZOllAS de pr~sa.do es de extrema Importancia pira mlnlmlur la OT.I.::Ia~l.!n Las hpooriduu se encuentr.r, sólo en tejidos vegetales y catahzan exclusivamente la oXidación de los áCidos g~asOJ no esteriticadCH portadores de un cu, t!s penla 1-4 dleno con Iz pani· culllndad de que pueden aClUII, tempe' ratura mu~' oilja Las hpuas t'mblén pueden acelerar la oXidación dando al alimento un sabor jabonoso .culan liberando tos áCidos grasos de los tn¡licét!. dos y en este estado JOn mis susceptibles de OJudaclón all)O la denominación de 411110.lld/VIfU lIa/urafu se engloba a una gran v.nedad de sustanCias que se encuentran en las planlas y que pueden inhibir o cuanto menos controtar la oXidación de las grasas Unos de los más Inte· resantes son los tocoferoles, que se encuentran en la mayoria de los aceites vegetales y se Ulll!zan con mucha frecuencia para t. est.blllzación de grasu 'OImales Algunos de los más uliliudos se Slnletlun artifiCialmente como equivIIlentes al O-o-tocoierol, OtrOS provienen de la destilación de aceites \egetales y normalmente son mezclas de o, ~, y ~tocoferoles Estos an' tioxldantes protegen a los aceites de l. OXld.Clón prolong.ndo la rase de imclllción, dlsmlOU' yendo la formación de perÓxidos y OXidándose ellos mismos durante el proceso autooxldatlvo los anfloxidantes naturales también .pare· cen en las especias, siendo la salVia, la pimienta, la nuez moscada y el romero las mú Importan· tes y sus extraClOs podrian ser uuhUldos para controlar la oxidllclón. SIO embargo, la especie que mis se usa en la Industria Allmentana es el romero (RoJmarl1lus officlllofis); el restO se utl' hzan co~., t~!es ~s~'!1:i~s ~ S-.: ef~=!O a::::o:o,:;·
dante es una propiedad a,Aadida al sabor y aro¡ un alimento. Del romero se uuhun los extractos Uc.ohó· heos de sus hOlas, los cuales se utilizan después de evaporar el alcohol EstÁn constituidas por al menos 45 compuestOli dlierentes de los cua¡cs 105 más imponanles son el carnosol y el iodo rosmannico, que son compuestos (enólicos con propl~dades lrltlOXldantes. También algunos aminOÁcidos pueden actuar como antloJtldantes naturales al reaccIonar con los metales e Impedir así su acción CoItalíw:a. =::; :.a:a~:e:-.:sti:oi "ue apü:-:,¡¡¡
3.9 , Reversión del sabor
La reversión del sabor es un llpo especlIII de oXidaCión que llene lugar pnncipalmente en los aceites ncos en jCldo IinolelCo (aceite de soJa y coiu) cuando se exponen al 3.lre , y lleva consigo la aplTlClÓn de sabores y olores anó' malos descritos como a luuba, a putada o a plnturo Estos sabores se desarrollan incluso a niveles balOS de peróxidos los compuestos responsables parecen ser sustancias volátiles resultantes de la OXidación del !ru!,<> penteno terminal del ácido hnolénico y, fundamentalmente, son compuestos carboni lo, llleoholes. ésteres y ácidos. Se han podido aislar 70 compuestos vo16111es diferentes Los polfmeros onglnados en l. OXldlción de estos aceites no poseen el olor característico a temperatura ambiente SIOO que se denrrolla cuando se cahenlan. Similar sHuación .p.rece en otros aceites polllnsalurados como los de pescado. 3 .1 0. Ant ioxidantes Se considerlln como .ntioxidantes a sustanpresentes de forma natural o adicionadn IOtenclonadamente a las grasas o a los ahmen· tos ¡ara retrasar la .panción de los fenómenos de OXidaCión manteniendo IOtaclas sus caraeteCIIS
¡;O,,:;lS ser.s~:;ll:s.
Copi,ulo 3: Lipidos Los antioxidantes I:!ue se adicionan a los ali· mentas deben cumplir una serie de requisitos: no provOcar efectos fisiológicos negativos; no producir colores, olores ni sabores anómalos; deben !ef e!~ctivos a bajas tem~raturas . lipa· soluble~ y resistentes a 105 tratamientos a los que se vaya a someter al alimento: además de· b::n ser f;ki!es de oblener, anivos .Ji ba!Is con· centraciones y econÓmIcos. Los antioxidantes pueden clasificarse en tres categorías '
3.10. 1.
A.1i1~l(idonle5 tipo
1
Se incluyen en este grupo a aquellas sustan· cias capaces de interrumpir la cadena de radio cales cediendo un hidrógeno a un radIcal hpidi' co libre y quedando ellos en fonna de radical. Como consecuencia, disminuye el número de radicales libres, desciende la velocidad de lá oridaclón y se prolonga el periodo de induc· ciÓn. Los antloxidantes en forma de rad,cal son estables y no reaccionan con los l¡pidos sino con Otras moléculas similares, dando lugar a produ-:tos no radicales, o bien sufren una pos· terior oxidaCIón, dando quino nas Sólo lo. compuestos (enóticos que producen qUlnonas fá cilmente pueden considerarse como antlOxi· dantes de este tipo. En esque:na, las reac:iones 'ice ¡ie:!en lu· gar son las siguientes:
55
tes. La cantidad de antiOXIdante adicionada se sitúa en tomo a 0,01% respecto a la grasa del alimento y 0,025't~ si se utiliza una mezcla de antioxidantes, en la que ninguno de 105 componentes debe superu el 0.01%. La incorporacijn del antioxidante debe ha· cerse al comienlo de la oridación ya que SI el contemdo en peróx1dos es re!anvamenle eleva· do, el efeclO prottclor se anula. Igualmente, el efecto prolector d~ este tipo de antioridante es escaso si el alimento es neo en catalizadores metálicos. Los antioxidantes tipo 1 más utihzados $On los de:i\ados ono y para d~ los compuestos fc· nóticos ya que, debido a la localización del elec· trón entre dos fOrr:las de resonancia, forman ra· dicales libres relativamente estables. Los mb frecUentemeOle urilizados son ¿steres del ácido gáhco (galato de propilo). ter·butilhidroquinona (T8HQ), butilhidroxianisol (B HA) y buti]· h,droxitolueno (Bf::lT) (figura 3.6). OH
OH
o""" ' §
OH
c.o I 0.(;1"1,
aHA
GP
AH~R·-+RH
... A' AH + ROO' -+ ROOH + A' AH + RO · ..... ROH + A' A'. A ' ....
Compuestos no radicales A ' + X · .....
La concentración del antioxidante en un ali· mento es de gran inlerés ya que algunos ejer. cen una mayor protección cuanto mayor es su concentración en el producto, pero otros tie· nen una concentración óptima oor encima de la cual se comportan como agentes prooxidan.
aHT flGUU 3.6. ES',uchlra de 101 principales an tioxido~ tel ~oo I GP: Goloto di ptooilo BHA B""ilh¡dn> xiol\'~ . BHT: Bulllhid,oxito!ueoo.
56
r.CI'IoIogio eh IoJ AlimentoJ (f} Compon.nleJ de lo, alimentoJ y ptonJO'
=:,.
que en hu grasas, es poco res istente al calor, no soportando tra.taffiLC;¡tOS de c" ...:iJ •• , ) ':O;¡ ::: hierro origina sale$ de color azul I;'$curo que pueden provocar efectOs adversos durante el almacenamiento de los accltes. La TBHQ es un antioxidante recientemente ap robado; es un efecuvo o mas qu: el galato de propilo, ya que ei mas estable a altas temperatu.as, más so:ubl! en grasa y no pasent
(\-¡ :~:::::'::! =:~ :-:'!! !~::!.:: !~ !~ '5 y, .!~!~!s, resiste al calor, Se encuentran en cant idades api".:.::iab:::s.:;¡ :J':~s ;.:i J..:.el::S ·, e;.e[~!5 ::-..ier.· tras que las grasas animales no suelen contene r loco fe roles Son poco resi sten tes a los trata · mieOlOS que se aplican a los alimentos; basla ooservar la dLier encia de estabilidad que pre· serlta un aceite antes '1 despues de un proceso de fmura El p(!!mi:~!o de ascor!Jt!o es un produt;to de síntesis cuyo componente báSICO es el ácido aS' córblca (v1t ilmlna C); es soluble en gras3 pero menos q.!e O,íOS illllio.\.dantes, por lo que para Hi utiliza.::iÓn es nece$a;i~ ,:oii1oinarl., con age ntes solubilizantes ta!es como 10$ monogli· céridos. Su consideración como antioxidante aún está por resolver '1 algunos auto res creen que su actiVidad se debe a que aCtúa como age nle sccuesuan le Las lewlllas y las ml!lclas dI! fos/o{[pidoJ tie nen tambLen capacidad antioxidante asi como algunas tlavonas, t:$le role$ y compuestos con grupos sulfidnlos.
3./0.2. Antloxidonte tipo 11 Son compueSIOS que aClúan impidiendo o disminuyendo la formación de radicales libres, los mas utilizados son agenles que!a ntes de los metales tales como el EDTA (ácido eulen-cha· ¡runo-Ietracerico), apenas. utilizado, o el áCIdo cío InCO. Su acción depende del pH '1 de la tempera· tura, ya que eSIOS parámetros son los qu.: gobler· nan la estabilIdad de 10'S complejos formados Se incluyen en eSte grupo o tras sustancias como cambiadoreS de iones, aminoácidos y (os· fatos. La acción ant¡oxidanle de la histid ina '1 la c!Stcína no I!Sla completamente aclarada pe · ro recuerda a un mecanismo de tlpo I. El empleo de agentes que!aoles de metales debe ir aco mpa~ad o de esfuerzos condu~nles a limllar en lo pOSible la contaminació n de los alimenlos por esos melales: apara lOS y tuberias de vidrio, acero inOXidable y otros materiales inertes.
Cepírulo J. {jpicio,
Se in.:h:.}~n en es:~ ¡r:.!¡:lo .l:¡:.J!!Jos r~';:;;;~:!;' n ¡enlos físicos qu~ prole gen a los alimentos de I¿ oxidación; se basan en el conlrol del contenl d) en oxfgeno, de la humedad relativa y de la t! :'T1peralura Para evitar el conlaCIO dei ¡Ji mento con el odgeno, se utiliza el cm'asado a vacio o en ato r.6sferai de ni:róger.o, ca! e rne1:C!:!.S de gases ir.mes en un material impermeable al oxfgcno, amque slemp.e ha)' que tener presente el o.~i· &.:no que queda ocluido en el alimento) que, aunque es una canlidad muy pequef.a. se va Ii· b~rando poco a poco Un medio económico p Ira reducir el contenido en o:dgeno es utilizar b·)lsas de plástico con trazas de paladio, ya que e~re me tal cataliza la formaci6n de agua a par· ti· del oxigeno residual y del hidrógeno que se introduce en el momento del Cterre. Es importante eVitar la ausencia de agua en les alimentos deshidratados o, cuanlo menos, manlenerlos en unos valores de el. próximos a ú.t.. ya que en eS1-a zona j" veiocidad de O:
~7
drolitico. lr.de!)endientemente de la ca.zu, l. hpolisis disminuye notablemente la caldad de !!~ i~!s:!.! ~:s~:!:!d:l..'l. set-~: todo., CO!l:E:nea 105 y frituras ya que, como consecuenci3 de la misma, aparte del sabor que puedan Impartir, deSCiende el punlo de humo y [os alimentos pie parados con ellas p.esentan sUj)t ¡ficies ;;~rie:¡~ai, ro3}"); le::ée:¡;;:2 al ¡::ard~am :n:o } un aumento del contenido graso deblc.,) a la absorci6n. Cuando las grasas quedan emulsionadas en agua, los ácidos grasos ¡nsaturados Que !'! libe Tan cen [a lipo!ilis pueden modificar el saber de algunos alimentos, adqulTlendo un lig!ro sa· bor picante a bajas concentraciones; adem;ls pueden oxidarse dando SU5lancla$ de &'ln intenSidad sápida y olorosa. Los ácidos gusos ¡j. bres que aparecen se eliminan mediante técnl.:as de refinado )' d~sodonzación con el fin de conseguir grasas '! aceites de calidad aceptable aunque el rendmllento y el COste del proceso tienen indudable Importar.:::ia econ6mica La.J enzimas ¡¡políticamente activas pt:nene. cen al grupo de las hldrolasas. Las lipClSaJ hldrolizan únicamente los lipi· dos emulsionados actuando en las inteñases: se diferencian de las esterasas en que éstaj s610 escinden ésteres solubles en agua Las lipasas e.~ISlen oaturalmente. entre otros ahmenros, en leche, semd las oleaginosas. cereales, fr'Jtas y hOrla\ius. Desde el punto de v:sta de su especrficidad, se distinguen dos grupos: L..s qUe! hldrolizan a la muma velocidad 105 tres enlaces éster de los lriglicéridas y las que hidrolizan algún enlace concreto. La lipasa más conocida C3 la 1ipasa pancreática. La reacción de las lipasu se acelera :wr la presenCIa de iones calcio que precipitan lus .tici· do! l!'r.1SQJliberados en forma de salrs ctlcicas insolubles, Otras lipasas de Interés son las fosColipa.sas y las ¡licolipasas, enzimas altamente específicu, que bidrolizao los fosfolfpidos y [os monoy dI ga.lacto~511·dl aCIIgJiceroles respecti vame ate. En los ahmentos pueden existir lambién lipa. sas de ongeo ex6geno. proc.cdellles de los mi·
aoorganismO$ que JC mulnplican en el alimento; si 500 muy I!ttV'::'5 o ~ ~ sor; !k ...a.:!;u CODtribuyen al cnranciamicnto b.idrolítlCO de las grasas. Algunas de cUas adqwercn gran unportancia en aertos ahmentos, como ocurre en la leche con las lipasas producidas por las pscudomonas; muchas d! !llas elabo:an lIpasas muy tC:"mOC$table, que no se desacDvan ni siquiera con los teata.nuentos UHT, ocuior.ando efe:tO$ ad ...ersos Importantes (véase "'o!umen n, capítulo 3).
Bibliogrefie AUE1\'. J e y HAMILTON. R J. (1989): ROIIcj· drry in 100M. ElseVlcr Appbed SClence. Nucya York.
. '.
•
BELITZ, H. D Y GROSCH. W (1997): QIl~a tú I:u ::!~r';:'I.:· ce.. Acnlm un¡ouCHEfTEL, J C. y CHEFTEL. H. (1980): Inrroducció", la Sloqubruca 1 Trr:nololilllÚ los AlunUlIOJ . Al:Tibi., ucalOU. CHO""', K, eH. (1992): ltUf] Acuú .,. FaodJ and rhtlr H~IJIUI ,,,,pilcaIlOtU, Marce! DeI.:ker Inc. Nueva Yorl::. FEt-.1'<'EM...... O R (1993): Q¡¡!mic.: d.t /os AIIII1~" IOJ. t' ed. Muetl Dckkcf lile. Nueva YOtL FENNEMA, O R (1996): Faod C~"'ISIr,. :1.' ed. MJ. ¡.:.e] Dckkcr Int. Sue\l York M.""-~. 1. M , ce (1990). P,.,.clpla oí lood CI'It· ",UI? VIO Noslra:ld ReU1hold. Nueva York PADLEY, F B . GlIl'STO>lE. F O Y HARWOOD. 1. L (1991). Tht uprd HIJ"dbook. Chapm¡n &. Hall Londres
RESUMEN
l. lo, lipidol r:.orllul'vr.:l'I vl'l~ dI 101 c;;;lITIpoMl'llu n::Y'rl !~riel :l. 101 c!;ne:-.·:;lI, cdqui.r." impar. Ior'ICla 01 formar porte de le, membr:;mol y por. del celvlor'l, por IIJ valor nutntl"O y por el du· lOeodo popel tecndOgico ¡.mul'lfi.::on,., Iron,,... i. lión d, color, ere) que des.mpeñen E" term,no l glnerolll, 101 lipidos de kn olimenlOI p'IItnICIn Ocidol grolO! de c~~o l,nlOl y "",mIro por d. Ó!OI'nOI d. cor~, nQl'molment••nlTl 12 y 14 carbonos tu composición y t!lruc/uro dern.on lo, ptopiedod.! lisieo! d. 101 grOIO! y le)! oc'llel; al· gunos d. elku, como el pvnlO de "'"iOn y la en)· ¡oBladon, condiciono" su oplicoeiOn In lo IndUluio A1imenloria
2 D.
3. la '1lrveN,a dI lo, lipidol se puede modificO( mldio" •• lo oplicaeiótl de c:ierlol Iralom""IOI (hidrogenoción, IrOR1ellerofic:oc,ÓtI y fracciono· mi,I'IIO) ql.le c:onl'evon \/ti c:ombio en los corad. r¡,rieOI 1:, ;-::::, d. ~,.,:: :'::1': :; 1,; .• e:. 't
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lOI ¡ip,dol wn el IUIIIOIO d, uno de 101 olteroClorll' mOl ImponOnl.S de 10, ol,mII\lOl, er roneiomi.nlo outOOltiOoI'VO. Se reolo de un con. iUrtlO d. eomplejol r.o"ionll que olectol'l, .n IUlndo, o lo, ócidol grO lOl il'llorufOdos y conducen e le forn::: iól" d. c:r.?vel:Os d. boja mala molecular {old.hidol, ,,!anOli, ócidol grosal de cod.na corto, Ioctonol, elc.' que son lel ,esOOI'IJCbI., de lo c;::::ie::5n de e:~es, lObores y ~II onOmolOI, conoc:idol como o (OnclO. El procelO de o.o;idociln le delofrollo en cuolquier ol,me"'O que lengo un eornenido gro10 ir'ICl\110 Ion bolO como del ] %
.n-
S. Poro retrolor el duorrollo del enronciam,enlo puedell o,;odine (1 101 olimenlo! ~usloncios on"oxidonl" que bloquean lo sucesión de reoe:· ciones, re'rosondo, por lo Io"to, lo formoció" de 1\lIIOl'ICiO I con lObo", anómalo, puede" oplicone plocedimlell'OI H'ICOI boladoJ lun. domentalmenre .n el conlrol de 101 niy.11S de
°
e.o;;;_".,
4 PROTEíNAS
En este c¡pitulo se ~stu~n I,n principal" propied.. du iuncion.ales dt l:u proltiNs. Entre tl\.¡¡s, c.IIpuid¡d de .IIbrorciÓfl y rctención de ¡¡¡gu.ll. solubilidad, viKOSid ..d, !tliñución. luturiuciÓtl r forrn¡ción de emulsiones y espvmu "Iimtnl¡riu .
60
T.cnoJogio Óe 101 A/imen/ol.
mComponen/el de 101 oJ.menloJ y procel
4 , 1. Intro ducción
Le, p:ot!b~s so:: ::::~~:~!as :"r.¡p:~j.H constituidas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno y, a veces, tambie:n otros elementos como aluire, hierro, cobre, fósforo y cinc. Están formadas por aminaáddos unidos entre si mee:J:!,e er.la::s pe?'fócos. Las propiedad~5 de una proteí!'lJ }' su tuncior.alidad c!e¡>enden de su composición ami no, acidica y de la disposición de [os enlaces que estabilizan su estructura. Según las funciones que realizan se pued~n agrupar eOl tres s:-ar.des ca~e~o~í3s: proteínas esm.:c'Ur2.le5, p:otdn:lS con actividad biológica y proteínas con valo, nutntivo, aunque es necesario indicar que pueden pertenecer a varios grupos, ya que hay proteínas estructurales o biológicamente actiVJS q'Je tambie:n son nutritivas. Las proteínas con valor nutritiVO se podrían definir como aqudlas que son digestIbles, no tóxicas y utiliza!:lks por el organtsmo, encont rándose presemes en cantidades imporlantes tanto en productos animales como vegetales. Las proteínas con actividad biológica comprende a las enzl- • mas, que se estudiarán eo el capítulo 6. Las funciones que desempeftan las diversas proteínas en [os alimentos se podrían mejorar si se conocieran mejo r los mecanismos que condicionan y dirigen su comport:uniento. Un conocimiento profundo de todos los componentes de los alimentos y de las relaciones entre ellos es fundamental para la optImizaCIón de los procesos tecnológicos.
des fisica~ de J':)! ,!li- e::tcs :::; ~! 5'.;5 !:;¡;!~: e!! les durante su procesado, almacenam iento, ¡:;:e;.:!.:.?:ién í C~r:5'';r.:>. Las propiedades flsicas y químicas que re ' percuten en la funcionalidad de las protefnas son numerosas; entr~ ellas pueden citarse tao maño, composici.5n > secuencia de aminoáci· dos, confom1aci6n (estructuras secundaria, terciaria y cuaternarb), carga neta de las proteínas 'f distribución de éstas, capacidad de reacción con otros ca nponentes, etc_ Son tantos 105 fact ores que ¡niluyen que no es fáCil establecer una relacib tOltre es:as propiedades y su f!lncionJ!idad ~:'l d ",I¡:nemo. OtiO iOlconve' niente adicional radic 1 en que, frecuentemente, se modifica la estructura inicial de la protetna cuando e:sta se transforma en el comp lejo alimenticio final, estar.do dichas modificaciones influidas a 5U vez p,)r Otros factores extrínsecos como son el pH, la temperatura, las condiciones del proceso y otros componentes de! alimento como lípidos, hIdratos de carbono y otros. Aunque en la actualidad se está investigan, do para explicar el comportamiento funcional de las proteínas, es talla complejidad de los sistemas alimenticios que, hasta el momento, no se han alcanzado conclusiones generales totalmente satisfactorlas_ Como puede observarse en el cuadro 4.1, las propiedades funcionales de las proteínas que intervienen en un ali.."ento son muy varia· das_ Desde el punto de vista didáctico, podrian clasificarse en dos grandes grupos: o) Propiedades hidrodinámicas: son aque-
4 . 2, Prop iedades funcionoles de los proteínos El t ~rmin'o propit:da d fu.n cional se defint: como toda propiedad 00 nutricional que influ ye en el comportamiento de algunos componentes de un alimento. La mayor parte de las propiedades funcioeales influye ee las características sensoriales pero pueden d esempe~ar también un papel Importante en las propleda-
llas que dependo!o de las in teracciones de ¡as proteínas COD el agua. Se incluyen propiedades en las que estas interacciones son mayotltarias, como absorció n y re tenciÓn de agua, hinchamiento, adhesión, dispersabilidad, solubilidad y viscosidad y otras como geliticación, precipitación y [a formación de diferentes cstructuras como fibras y pastas proteicas en las que la re lación proteina -proteína
Capitulo 4: ProleinO$ Cl;..r.:}cc!. , o-,;:::o.:!e1.,
"'n~;:>"::!"1 C!, le l ,,':).!'~Q' qut ... lhrytn ~n d¡f.o,.nl •• '"lema. oli",IfIIi •. io •.
SoIubOUdod. "';I<:o"dad
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formoc>On d. "p"mo •• mllloif"ac16n. ccpc::eid"d d. ob",'ción d. egua
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bo:coch:, POllf •• I,,:,IO•. m.rtr.g'l!
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c;.i,i>coclÓn. e~poc,dod do cboorci6n d. 09UO. em\lI .,~eoclÓn
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AJoóloga. d, eotn, ..
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:>blOlCiOn y r''-nción d. ogua Emulwli.;oción
Ma!.one... rno....-q~i!lo
es dominante en detrimento de las ¡,,(eracciones proteína-agua. b) Propiedades ligadas a caracteríslicas de superficie. Se indu>en en es{e apartado la capacidad de formación de e.-¡pumas, emulsiones y todos 105 fenómenos ¡-elacionados con la tensión superficial.
4.3. Propiedades de hidratadon La te,-.;tura y las propiedades reológicas de [os alimentos dependen de la inleracción del agua con ouos componentes alimentarios, especialmente con macromoléculas como las proteinas y los polisacáridos. De aquí la importancia de conocer el comportamiento de las proteínas en presencia de agua. El agua puede modificar las propiedades fisicoquímicas de los productos alimeoticios e influir de una forma
ól
críuc!. e!1 !l l!ce?t2ci<5!l t::U'.1 de l alimemo, como ocurre en aquellos productos con un contente.::: b.!jo ~~ ::l!::1e~:!¿, e::: les ::;:·..!e el ~2ct O~ determinante de su aceptabilidad es la capaci· dad de retención de agua de las proteinas. Las propIedades de hidratación de las proteinas están dlreclam~nte rel!.cionadas con bc;:ores i¡; ;:;in5e.:v~ de la p.op:a r.lohkula, es decir, con su composición arrinoacídica )' su confor· mación. L2S pro teinas interaccionan con el agua a tra~és de puentes de hidrógeno, enlaces dipolo-dipolo o mediante las cadenas laterales de los aminoácidos (interacción con los grupos ioniud0s). Así, si ha)' l!:la mayor propooción de ammoácidos con cadenas laterales hidrófobas. la proteína presen;:ará una menor capaCIdad de hidratación que si está compuesta por arrunoácidos con cadenas la¡erales hidrófilas que pue· dan eSlablecer, más fácilme;¡le, puentes de hi· drógeno con el agua. Igualmente, la conformación de las proteínas ta mbien inOuye en las propiedades de hidratación, ei decir, la ordenaciÓn en el espacio a 10 largo de una dirección de las cadenas polipeptidicas unidas por puentes de hidrógeno (estructura secundaria) y la orga· niución trid1mensional de estas cadenas orde · nadas, estabilizadas medlan{e uniones hidroCóblcas, interacciones electrostáticas, enlaces de tUdrógeno y enlaces covalentes (estructura terciaria). EllJpo y proporción de las fuerzas im· pt,.:adas en la conforma:¡ón .. así como la composición y ordenacióa de los aminoácidos, afee· la a la fun cionalidad de las prQ[einas. Los cambios de temperatura, pH ~. la presencia de disolventes orgánicos y otros agentes desnaturaliunles lambien pueden al lerar la confonna · ción de las proteínas ya que modIfican los dite· rentes enlaces implicados. Estos cambios iniluyen en la cap.u;¡dad de captación de agua debido, fundamentalmente, al desenmascaramienlo de grupos hidrófobos. Tambil!n influye la estructura. como en el caso de las micelas de caseína que pueden atrapar físicamente agua ell su ¡nlerior al penetrar ésta por capilaridad. Por otra parte. las propiedades de b..tdratación tambtén se ve n afeCladas por diveno$ rac-
tores enrinsecos, sie..do los mú imponantes la cooeentración de !)roteínz..s. el !)H. ta t~::n~e~! tun y la fuerza IÓruca. La concentraci6n de proteínas en! directamente relacion.da con la cantidad total de agua que pueden absorbe~ La influencia de! pH es muy irní'OIU.ntc: yo! que al modificarse la ionizaCión de una solució~ proteica se alteraalas fue;z.a.s d~ a.tia:::ión y de repulsión entre proteínas y la capacidad de éstas para unlne a las moléculas de agua. Cuando una protefna se encuentra en unos valores de pH aleJados del punto l5oelecrnco está cargada posi tiva o negauvamenlC, por lo que las :noléculas de a.gua reaccionan con ellas facilmente contribuyendo asr a su hidratación. Adem1s, las cargas del mismo signo se repelen y, por lo tanto, las proteínas tienden a desplegarse con lo que se favorece su interaCCión con el agua Si el pH de'" dISolución proteica coinCide con el punto isodéctrico, l.as in!~u.ccion~s entre las pTotefnas son máximas, están muy replegadas y, por lo tanto, el grado de hidratación es mfnimo, llegando a veces a formar agre&ados que pueden dar lugar a una precipitación proteIca La máxima capacidad de ligar agua se presenta en la mayoría de las proterna! a \·alores de pn entre 9 y 10 debido a la ionización de los grupos sulfhtdrilo. La capaCIdad de fijar agua por las proternas va disminuyendo a medida que a Jmenta la temperatura debido a la ruptura de 105 Ifo¡]es puentes de hidrógeno Ademb, durante el calentamiento hay una desnaturalizaci6n segul· da de una agregación, lo que Ikvl COMlgO una redUCCión de la superficie proteica expuesta al agua y, en consecuencia. se reduce la disponibilidad de grupos polares para fijar agua. Esta reducción es de, aproximadamente, un 10% con respecto a la proteína nativa. SI son pro· teinas globulares, que tienen una estruC(fllu muy compacta, al producirse la disocllclón y el desdoblamiento es posible que enlaces peptídicos que estaban en el intenor puedan lle gar a localizarse en la superficie, pudiendo re accionar con el agu! por lo ~U~. el"! ~n~ c!So.
puede aumentar la capacidad de absorción de ~S:;:!.
La concentración y naturakza·de los ione! presentes en una soluci6n proteica tiene un efecto muy importante en las propiedades de hi':~aaci6n de las proteínas. Se establece una r~ta:iór. e:Hie el agua, las sales y las cadenas laterales de los aminoácidos de las peoldoas. Si La conC
4.4. Solubilidad La solubilidad de una proteína se ddine como el porcentaje de proteina que se mantie· ne en disolución O dIspersión coloidal bajo condiciones específicas y que no sedimenta a fuerzas centrifugas moderadas. Para que una proteína sea soluble debe iOteraccionar con el (hsolverne (puen tes de hidrógeno, dIpolo-di . polo e inte racciones lónlcas): por ello. se pue · :::~ Ce~: ~:; :lrnbi~:1 ;:o~o e! ~::;'..:~! ;b~o e:1t:e las
CopirvJo J PfOIe:nos ioteracciones protefna-proteína y protc:ína-di soheote. La principal ventaja de una buena solubili· dad es que permite una disperSIón rápida y completa de las moléculas proteicas. 10 que conduce a un sistema colOIdal, dISperso y con una estructura homogénea; todo ello resulta esencial en la elabor!:cl6n de salsas, sopas des· hidiatadas, bebIdas, purés, elc La solubuidad a pH neutro o en el punto tsoeléctrico es, con frecuencIa. la primera propiedad funcional que se mide de un Ingredienre proteIco ya que las proteínas insoiubles tieneo muy pocas apliu,. ciones en la Industna Alimentana TambIén es IOteresanle conoce r la solubihdad cuando se pretende determinar el grado de exuacción y purificaCión de proteCnas. LM proteínas pueden claSIficarse en cuatro grupos segun el grado de solubiltdad:
La solu!:llhdad de las protdnn depende. además de las propiedades fisicoquímicas de la molécula. del pH , fuerza iónica, temperatura y tIpo de disolvente A pH distinto de:! punto isodéctrico, las proteínas poseen cargas netas y se repelen entre sí, i'1.!(!!endo interaccionar con Ils moltc~ln de agua y, por Jo lamo, son más solubles. A medIda que el punto LSOeléctrico está mis prÓXImo, la diferencia de cargas entre las moléculas de las protelnas disminuye y cuando llega a ser lo sufi· cientemente pequella pueden contactar, formar agregados y precipitar Si se representa la solu· billdad de una proldna detenninada en función del pH, se obtIenen habitualmente curvas en forma de U, donde la 50Iubihdad minima se C()nesponde con un pH coincidente con el punto isoeJ~ctrico (figura 41). Las proteínas son más solubies en agua cuanto más alejado eSta ti pn
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FIGUU l . 1
en NeCl 0,2 M.
~
Albilirunas solubles en agua a pH 6,6. Globulinas: solubles en solUCIones sall' nas diluidas a pH 7. Prolaminas solubles en etanol al 10'" Gluteninas: solubles unicamente en solu· cienes muy ácidas o muy alcalinas
•
?
63
de su punlO isoel~ctrico y, por lo tantO, más puentes de hidrógeno se pueden establecer eo· tre las molkulas de agua y las proteinas. La presencia de Iones de sales neutras aumenta la solubilidad de las proteinM, ya que pueden reaccionar con las cargas de éstas disml' nuyendo la atracción electrostática entre las caro gas de disunto signo de las moléculas proteicas vecinas Este efecto está en funCIón del número de ca~as de las especies Jónicas en disolución y de la concentración de sal. Las sales qu~ contie· nen iones divalentes, como MgCl, Y MgSO:. son mucho más adecuadas para auméntar la solubi· lidad que NaO o KCI. SI la concentraaón de sa.. les aumenta, las proteínas pueden ~!"ecipltlr de· bido a un exce.so de iones (los que no están en· lazados a las proteinas) ya que compiten con ellas por el agua La neutrahzación de las cargas dismmuye las fuerus repulsoras y las proteínas forman agregados y precipItan. Normalmente, la solubilidad de las proter. nM aumenta con la tempera tura desde O -C a 40 ·C. Por encima, la mayoría de eUas tlenden a desnaturalizarse, lo que conlleva una pérdida de solubihdad. La desnaturalización térmica cambia la solubilidad de lu proleíl1a5 porque hay un Incremento de los grupos hidr6fobo>¡ en
la superficie de ia prOteína (en eSlacio namo eSlán onenlados hlCia el interior de la molécula). El desdoblami~nto altera el balance enne proteína-pro~erna:- prolefna-disolvente. Duranle el alm!cenamiento en congelación disminuye la solubilidad de las proteínas, debido a la! uniones irllel"!>Coteicas que se estableccn cuando el 'sua que estabihza cIertos gru005 funcionaks se separa en fOnTla de tudo. - La presencia de CL~nos disolventes disminUye las fuerzas electr051.iticas de repulsi6n entre las moltculas prcteicas, lo que ravorece la agregac\C~n y pomrior precipitación Además, los disolvent~s cor.pit:n por las moléculas de :!gua y, ror lo tan te·, t2.I!lbién r:ducen la solubilidad de las proteín/!$ Para valorar la !olUbilidad de una proteinJ se ullliza el índice ~e solubLhdad de l nitrógeno y d perfil de solub lidad en función d:l pH (tigurJ 4.1), dellrata niento !énnico y de la fuerta i6nica. "
4,5, Viscosidad La viscosidad de un fluido es la medLda de su resis!~ocia a fluir o romperse Se expresa mediaote el codicien!: de \"!scosiód ÚJ) que depende directamente de la fueru de flUJO (r) e Lnversamente de la velocidld relat!va del flujo (y);
Ei GlJefi:i.ente de ..isc~idad es in~ependien te ce la fuerz;, o velocidad de !lujo en los OUIdr~s newtCfl¡~nCf; s:n embargo, la mayorfa de [as macrruncléculas en disoluci6n, entre [as que se mcluyen las proteln!.S, no se componan de eSle modo, sino que el coeficiente de viscosidad decrece a medida que aumenla la velocidad de flujo : es decu, siguen un comportamleoto puudopkUrico.
La viscosidad de los auidos proteicos est.i directamente relacionada con el diámetro apareole de las moléculas disperus. que a su ve: de-
PC¡¡";;é de ;oli .:..a:':'';:':;~:.'::3~ ~:;;il;:.s d~ .::.s.~3 ;':l teína (masa, volumen, estructura, cargas eléctrlC¡., etc.j, Oc ¡as m.,,¡cciones ¡:HO¡eina-aguJ (determina el hinchamiento de las moléculas) y de las interacciones protefna-proteína (influye en el tamaño de los agregados). Por tanto, la perdrda de VISCOSidad de los tlu,dos prolelcos está siempre determmada por la dlsmtnuciÓn d::1 ciámetro aparente.d:: las moléculas. Al igual que toJas las pr,Jpiedaces fur:.: io· nales en las que influye la interacciÓn entre molécula3 proteicas y el agua, la \iscosidad se ve afeclada por el pH. temperatura, concentra clón proteica y concentración salina, debIdo a q:.l:: todos estos factores llevan consigo [a rotura de puentes de hLdrógeno o disulfuro. con 10 que se modifica el dLámelto aparente. Cuando se agitan algunas disoluciones proteicas_ su viscosidad (!tsmtnuye~ 510 embargo, al permanecer un tiempo en reposo la VISCOSidad se recupera hasta su eslado inicial. Este fenómeno, llamado nxotropíD, se explica por la rotura de l
Cap'tvla.4
PrOl~;I'I(JJ
ó5
da. lamoi¿n es cieno que se na obs.:rvado una correlación positiva entre absorción de agua y vIscosid ad en numerosas ¡¡roteínu.
cj 7l.lentc) Je hi.:l rót ~n.,). putenciados por
4.6. Gelificocion
d) Puentes disulfuro dan lugar a la forma.
el enfriamiento; \L son dominantes se producen geie5 qUI se funden por calor y geh fican en fria. S:IO, por lo tanto, geles reYersLble~ .
ción de geles térrm :ame nte irreversibles. La gelificación proteica consiste en la ronnación de una red proteica ordenada a pamr d:: proteínas previamente óesnaluraliudas La ge· lificación desempel'ia un papel fundamental en algunos alimentos como productos tácleos, pro· ductO! camlcos cocidos, geJalmas, masa de pan. et:., Influyendo. además. en otrall propiedades fUllcionales como la absorción de agua y la rOf' macLón y estabil itación de espumas yemulsiones. Para que se forme un get proteico es neceo sario que haya una desnaturalización y agregación posterior de forma. ordenada en la que predo minan las interacciones proteína-proteína. Los pasos a seguir son los siguientes: 0.) Desnaturalización proteica: Fuede lo-
grarse. por tratamiento ¡¿rInlCO, hidrólisis enzimática, acidificaCión o alcalmización. b) Desplegamienlo de las mol~cul as pro le icas; en la proterna nauva, los grupos hi· drófobos se en:uenta:l orieotados h:l.C:a el interior de la mo l~ cula, y quedan al descubierto d ura nte el desplegamiento. con lo que se potencian las interacciones enrre proteínas e) Interacción prtr.e;,na-prntcina d) Agregación posterior En la formación de Las redes protercas que consllluyen el gel, rit:ne que b.aber un equili· brio entre las tuertas atractivas y repulsivas de MIs. OIIÓena poiipeptídicas. \...as ruenas I:racuvas entre las cadenas son ias siguientes: a) Interacciones hldrofóblcas: se ven poten-
ciadas por las altas temperaturas. b) [nter.cciones electrostáticas: pue ntes de u,tiones diva!e:otes, como por ejemplo, puentes de Calo.
Las fuerzas repulsivas de las cadenas están por las interacciones proleína· agua y por las cargas e le.:trostáticas del mIsmo signo, que aparecen a Vi lores de pH alejados de su punto isoel ~ct neo. A l ¡gu.!1 qJe en otras propiedades funciona !~s. ~n la fonnación de un gel proteico influyen diversos faclores como p:l , concentración proteica , concenlraciÓn sa!iu y temperatura, ya que como ~ ha indicado lnterionnente, todos ellos a!cctan a las interal:ciones proteína-agua o proteina-prolefna Cualquier fact of que pote ncie el contacto enue proldcas va a favore cer la gelific.ación, como ocurre con la concc:ntración proteica Si hay una conce ntracLón de proteínas muy elevada puede haber gehficación incluso en condiciones poco favorables. La gran capacidad de retención de agua que pr~sentan los geles está directamente relacionada con el (¡e mpo que se: invierte en la elapa de agregación con respecto a la desnaturalización. Si se forman rápidamente se obuenen ge· les desordenados. poco el.islicos. opacos y coa [a capacidad de reteoelón de agua disminuida, debido a que la cadena pohpeplídica no ha podido ag:uparse de una !or.n.! orde¡:ad¡!.. Si. per eI.conmmo, [a agregación se realiza Ientamen· te , [os poli p~p t idos p2.rcialmente desplegados se orientan más fácilmente: antes de la agregacióo. final y el ,-::suhe.
van I geDerar la estructura Decesaria para que I:.a)a agua i::¡::o\"iliza¿... A::ie:o..is, !J :ap .. d::!ac de reteDción de agua se ve potenciada por fe nómenos de capilaridad debido a los poros que se forman en la gelificacióc. En los geles en los que la desnaturaliución se logra por un tratamiento tinnico, se observa que cuanto mayor es la temperatura. mayor es la firmeza del gel y menor la caplcidad de ¡etenclón de agua debido a que el gel formado es heterogéneo y los agregados proteicos presentan poros rellenos de f:ase acuosa, que es Ud]rm::l!e e~!ra!ble. El aur.tent.j de la temperatura favorece las interacciones proteína-proteína (al desplegal"1e las moléculas proteicas aumenta la expOSIción de los grupos hidrófobos) y, por lo tanto, dIsminuyen las interacciones proteina agua (son inversas a las inter ..cc;ones proteicas) . Además, se favorece la formación de puentes disulfuro, con lo que~se retuerza la red IOtermolecular y la gehficación !Lende a $Cr irreversible. Los geles obtenidos por calentamiento pue· den clasificarse en dos grandes grupos, según la composición en aminojcidos de las proteínas: a) Geles formados por prOleínas con eleva-
da proporción de aminoácidos hidrófobos (tipo ovoalbumina). Si se encuentran a baja concentración pueden precipitar y formar agregados. Si la concentración de proternas es elevada, dan lugar a la formación de un gel opaco debido a que se forma rápidamente y las moléculas no se orientan adecuadamente. b) Geles formados por proteínas con baja proporción de aminoácidos hidrófobos (t¡PO gelatina). Si están en peque~a cantidad permanecen solubles durante el calentamiento, mientras que a concentraciones elevadas dan lugar a geles claros, reversibles y elásticos debido a que se forman más lentamente. Para valorar la calidad de los diferentes ge· les ~"13>' que te:":e; ~r. C~!~::;.
a) Condiciones que permiten la fo rmación -=e ¡;:.: Sd (::o= ~;:: :::;.:: jn ~! ?=o:!i:la,?n
)" temperatura).
bJ TransparencIa del gel. e) ResistenCia de! gel. dj Grada de dese$lab¡l!ución (fusión, SInéresis, exudaclon).
La gdt~lCaciO:l ".o::i:a es L:::a prc;J1edad funcional con grandes aplicaciones en Tecnología Alimentarla ya que se aplica no sólo en la formación de geles \;scoelásticos SIDO ¡ambiétl para mejorar la absorción de agua. viscosidad. adhesión entre partículas y por contribuir a la estabilización de emulsiones y espumas. Las proteínas ahmenta nas que presentan mejores propiedades geht"icantes son: a) Proteínas mio fibrilares' la gelifica::ión
termica de estas proteinas es fundamental en la textura de numerosos productos cárnicos. Así, por ejemplo, inIluye en la textura de 12.1 carnes reestructuradas y ayuda a estabilizar la emulsión de las sal· chichas y otros productos cocidos. b) Las micelas de caseína, al ser capaces de gelificar y provocar una coagulación, se utiliun para 1.1 p~ep:!:-ació!l. de c\.:ajadas y elaboraCión de quesos, leches fermentadas y pOStres lácteos. c) Las proteínas de laclosuero presentan b1.!enas propied!des gelificantes a temperaturas de 70-80 oc. Se utilizan en la elaboración de postres lácteos, yogures y requ!sj;¡ d) Las proteínas de la clara de huevo presentan 12.1 mejores propiedades geltfi cantes, por lo que se utilizan de forma habitual como agente liganle en la fa bricación de derivados cárnicos, paste lería, etc.
4,7. Formoción de postos proteicos Las proteínas del gluten se caraclerizan por· a: ¡¡;;:;l.$2.;!as C:"l '::C:"l,:;::,J ~.:;;¡ ¡;g:..;a i ¡¡ t.:¡;¡·
q:.:!
Ccpí'ulo 4: ProleifI
4.8. Texfurizacion Puede decirse que las proteínas son las responsables de la estruc tura física de muchos alimentos. Por ello, la texturizaci6n de t!stas es de gran Lmportancia ya que proporciona cuupo a nue,'OS productoi e laborados fU¡'J(lame:1talmeOle a base de proleínas (por ejemplo, surimi). El proceso de lex turización se produce. por el despliege de las cadenas polipeptfd lcas de las protefnas globulares (por rOlura de 105 enlaces in tramoleculares) y poslerior estabih· zaci6n de estas cadenas estiradas mediante la creación de enlaces intermoleculares. El pro · ducto final presen ta una buena capaCidad de retenci6n de agua que se mantiene aunque el producto se somela a diferentes tratamientos ¡t!rmicos La textunzación es, por 10 tanto, un proceso en e l que las proteínas giooulares se
67
tnmsCorman en fibrilares, con lo que aumentan sus aphcaClones en Tecnologla AiLmenlana. La modificación de la estructura se puede lograr por diferen tes vías. Aquf se: indicarán las dos mas importantes: A ) Proceso de hiJaoo o formación de fibras: los concentrados proteicos deben contener al menos un 90% de proteína . En primer lugar hay un desplegam'ento de las moléculas que se consigue por repu lsi6n electrostática (aumen[ando e[ pn). Así, se logra el total desdoblarruemo de las cadenas polipeptidicas y una \·iscosidad elevada . A cOnlínuación, se hace pasar la disolución proteica a [ravés de unos onficios baJO presi6n para conseguir una alineación de las fibras. Poste riorme nte, se favorece la coagulación de [as pro!dnas potenciando la in teracci6 n proteina-proteína mediante el aumento de la concen trac!6n salina y ajustando ,,1 pH al punto isoeUctrico. Las proteínas coaguladas se estiran median te un sistema de rodillos como SI Cueran fibras (avoreciendo asf la formaci6n de enlaces ¡me rmoleculares. Esta crUlall~ación parcia! permite aumenlar la firmeza mecánica y el carácter masticable pero puede dismmuir hgeramenle la capacidad de rete nción de agua . Estas fibras se comp rimen para eliminar parcialmente e l agua y favorecer la adheSIón; a continuación, se calientan y trocean . Antes del calentamL en· to, se pueden incorporar agentes ligan tes y otros aditivos alimenticios como aromauun· tes, s~boriZ!r:.t::s, e!c.
B) EXlrusión lermoplástica: En este caso se: puede parm de disoluciones proteicas coo menor cantidad de proteína (50-70%). La soluci6n proteica hidratada se somete a presiones y temperaturas elevadas durante un corto perio· do de tiempo hasta conseguir una pas:a viscosa. A continuación, se somete a una el:lrusi6n rá pida a través de una hilua (placa perforada) volviendo a la presión atmosft!rica, con lo que el agua se evapora LOstantáneamenle. En este momentO, las moiéculas pro"~lcas están des.jo-
68
r.cnobgío J. foJ A/imenlol. PI Componen/el d.1oJ olimenloJ y p'OC.SCI
bladas y on entadu en la direcci6n del flujo al puar por la hilera . Cuando la man proteica está frfa adquiere una estructura fibrosa y elástica con una maslicabilidad parecida a [a de la carne. Con este método no se forman fibras bIen defin idas sino únicamente p.!Irtkulas de naturaleza fibrcsl q:l! despds d~ rehidutadu poseen una estructura masticable. Aunque actualmente se obtienen productos de buena calidad a partlt de proteínas texturizadas, no c.lbe duda que es necesario profundizar en el conocimiento de las modificaciones físicas y químicas que tienen lugar durante este proceso, para oote ner alimentos con mejllres propiedades.
4.9_ Prop iedades surfodontes de los proteinos
Las emulsiones y espumas alimenticias son SIstemas d ispersos de dos fases inmlscibles entre si e inestables a m~nos que haya sustancias aniimicas en la interfase que disminuyen la terrsi6n ¡o te rfacial y evitan la coa!e3Ccncia de las
gota dIspersas Las proteínas poseen estas caracte rísticas ya que rrugran a la lfiterfase estabihU lIdo el sistema porque dIsminuyen la tensIón supt:rficial, es decir, actúan como agentes tensoae tivos. Para qu e una proteína tenga buenas caractern:icas espuman tes y/o emulsionante s debe pres::ntar dos características: Buena hidrofobicldad de superficie. b, Alto grado de flexibilidad .
o)
Todo ello ~emút i rá una buena difusi6n de la proteína hacia [a inte rfase aire/agua o Rcci¡e1a~;,¡.l do¡¡ó .:!ebe ~es:!ob!J :~, COCC!ntr.l:~ y extenderse rápidamente para poder dism in uir la t~nsi6n superfici:ll. Cuando una mol~cu [a prot~ica entra en contacto con la interfase, los reslUs de los aminoácidos no polares se orien..tan hacia la tase ,10 acuosa y la proteína se adsorb~ espontáneamente Durante la adsorci6n [as protefnas se desphegan y si hay espacio sufi· ciente se colocan en una capa monomolecular reSistente, coheSIva y eljsllca (figura"¡ 2). Aunque la formaci6n de una espuma y de una emulsi6n son muy parec idas no hay una
FASE NO .... CUOSA
FASE ACUOSA
o (')
(2)
(l)
FIGUlA" 2. RepresenfOCiÓl'l esqutlmÓh(O de lo conformación d. uno prole;no tIlllo interfase. jll Proteino en uno ,atvc:¡6n ocuo"". (21 Pro!e¡no prOXln'IO o lo inlerfose. P)..v.oIeculo prOltltO deJpI~odo y odtOfbido o Jo in'erfc.le. forrran¿o uno rrOl"OCcpcJ (- J: grupos hidtólobol, /01. 9f1.1oo1 oolmeJ.
Capi/ulo .4: Prol"inol
correlación estricta entre las propiedades e!::!~!!ic!!:!!lte! '! ~Sp'.lTl20tes de las ~roteinas. de tal forma que una proteína con buenas propiedades emulsionantt!s no tiene por qué ser necesariamente un buen agente espumanle . Este hecho perece ceberse a que la estabilización d~ esp:::n3S re::;::.:ier: unJ. eS!r'..!ctura proteica más comp leja que la estabilización de emulsiones
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.d 9 I Propiedades emu1lionanles
Las emulsiones so;: sistemas dispersos de dos Ifquidos poco soi'Jbles o insoluoks entre eUos . Algunas pueden presentar bu rbuj as de gas sólidos dispef5o~; Hay muchos ejemplos de emulsiones aliment .cias donde las proteínas actúan como emulsifiC
°
a) Separación de I.. s fas~s por sedimenta-
ción. Las gotas dispersas tienen dIstinta densidad que la fase dlspersan!e, por lo que puede habe¡ sedimentación y sepa· ración de las fases debido a la fuerza de la ¡¡ravedad. La velocidad a la que se produce es directamente proporcional al tamaño de las gotas de la fase dispersa e inversamente proporcional a la viscosidad de la fase coolioua o dispersan te. Cumple la Ley de Sloke~, cuya expresión matemática es: ... '" 2,.2 g 6,o/9.1J
S..:IImenlUlÓn
¡
FlocuIadón
¡
CoIl$ión
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FIGUIt ... d..J Esquema de los posibles mecanismos
de deseslcb¡l¡zoción de uno emulsión alimenticio donde: ... ::: velocidad de sedimenladón de las gotas de la fase dispersa. r::: radio de [a go¡a de la fase clisptfSa. g;: aceleración de la gravedad. t1p "" d ife renCia de densidad entre la fase dlspersante y la dispersa. JJ :; coeficiente de VIscosidad de la fase dispenante. b) Por rloculadon de las gotas debido a una
supresión de las cargas eléctricas coo la consiguiente inhibición de las repulsio. nes electrostáticas. Las gotas se unen unas a otras quedando separadas por una capa finísima de la tase continua. Mediante la f]ocula ción se aumenta el la· maño aparente de las gotas y. por lo tan·
too l. velocidad de sedimentación. Los glóbulos se mueven como un conjunto en vez de indiyidualmente La flocula ción no Implica una roplua de la pelfcu. la interf¡cia.l que rodea al glóbulo Y. por lo [anto, no cabe esperar un cambio en el lamal\o de los glóbulos origm¡Jes. e) Por coalescencla de las gO[al se aumenta el tamaño real oc éstas, puciL~ndose lIe· gar ¡ la separación de las dos fases en dos capas separadas por una Interfase de superficie oúnima. Implica, por lo tanto. [a ruptura de la película Int!rfacial, el agrupamiento de los glóbul~ y la reducción del área Intedacial Normalmente eStá mOtlyada por choques durante una agitación mecánica Para evitar la desestabilización rápida de las emulsiones se suelen usar agentes emulsionan· tes que permiten ampliar s.igmficatJ\'ameme la vida útil de las emulsiones Entre ellos. cabe ci·
ta,-
a) Electro!ltos minerales que aportan caro gas electrostáticas a las gotas dispersa.s. par. 'L!menta: Ji! repulsión. E¡te me:a· nismo es más importante en las emulsio· nes de a~lIe en agua b) Materias insolubles muy diYldidas, ad· sorbIdas a la Interfase formi!.:1do Uila barrera fisica conua la coalescencia; por ejemplo, arcillas. poi yo de sílice y sales bbicas de me:a!es En este cas." la esta· bilidad de la emulsión depende de la ca· pacldad de las dos fases para contactar con las partlculas sólidas. e) Moléculas tensoactivas, como son las proteenas, que se onenlan de [orma que se colocan sus eUremos hidr6[obo e hi· drófilo en las superficies de la Interfase aceite/agua , respecllvamenle El acumulo de estas moMculas en la inlerfase dis· mlOuye la tensión superficial. d) EJtabillución mediante crista[cs liqui. dos: las lOceraCClOnes que se crean enlte
el emulsionante. el aCClle '! el agua dan lugar a la formaCión de una multicapa con estructura de cmta! ¡(quido alrede· dar de las gotila~ . Esta barrera da lugar a una mayor estabilidad de [a emulSión. e) Macromoléculas disueltas en la fase con· tlnua, con lo que aumentan la viSCOSidad de esta fase (polisacáridos espesanles) o se adsorbc:n a 1, 10Ierfase (proteinas so· lubles en agua) formando una barrera frente a la coalcscencla. La calidad de las emulsiones a[lmentlclas \,ene de¡!!"[Iün2da por el d:i..TI~t:o d:: las go:~ dispersas y su distribución homogénea. Puede medirse por diferentes métodos como son mi· croscopía. difusión de la lut. sedimento por ~ntrifugaclón o medlanle el contador Coulter (mide el paso de las gotas a través de diámetros conOCidos). .. Para establecer las propiedades emulSIO' n ..ntes de las proteínas se suelen hacer dos de· terminaciones: a) Capacidad emulsionante (CE)' son los mi de aceite que pueden emu!Slonane por gramo de pr.,¡eina, ¡r,¡es de que se invierta la fase Se agita una dispersión protelcJ. y se \'a a~adiendo aceile conti· nuamente a una velocidad constaOle La inY~rsión d~ la f:!S~ !e C"se~·.l por una fuerte caida de la viscosidad o cambiO de color (si hay colorante liposoluble) . Ca· da emulgenle puede emulsionar una can· tidad limitada de liquido. es decir, tiene una deteT'TÑnada capacidad que, SI se so· brepasa. se rompe la emulsión. b) Estabilidad de una emulsión (éS) des· pués de una ccnlrlfugación a poca veloci· dad o una decantación durante varias horas. La estabi li dad se expresa como porcentaje de disminución del volumen de la emulsión Inicial ES: (volumen emulsión final/yolumen emulSión iniCIal) J( 100
Capítulo 4; ProleinoJ E::lt,~ ~s~.as dos ;,~,;¡¡::i~dildes no tia:; ur:.a correlación estncta. En las emulsiones estabilizadas por proteí~ nas influyen factores extrínsecos como Uln, en· tr~ otros, e! equipo utilizado para formar la er.¡uisión, el apone energético y la velocidad de adición de la fim hidrófoba. Tambi~n influyen factores intríns
a) Solubilidad de la proteína: las proteínas
mas soluoles presentan mejor capacidad emu!sionant~ r son buenas estabiiizadoras de una emulsión, debido a que éstas deben disolverse y emigrar a la interfase para que actúen sus propiedades superficiales. b) pH: la influencia de! pH depende del tipo de proteína. Así, mientras que ciertas proteínas presentan la capacidad emulsionante óptima en el punto isoeléctrico (proternas de la clara de huevo), otras se comportan mejor a medida que el pH se aJeja de éste (casefnas, proteínas dellaclosuero). c) Temperatura: al aumentar la temperatura se reduce la e:stabilidad de una emulo slÓn ya que disminuye la viscosidad y la rigide:z de la película proteica adsorbida a la interfase. d) Concentración de proteínas: conforme aumenta la concentración proteica aumenta la e:stabdidad de la emulsión porque: la película que separa las gotitas de la fase dispersa presenta un mayor espesor. Como se ha visto, son muchos los factores que intervjenen en la formación y estabilización de las emulsiones, por 10 que es muy difícil hacer generalizaciones. Sin embargo, puede decirse que las proteínas con mejores propiedades emulsionantes son aquellas que presentan una gran solubilidad, una estructura disociada y desplegada y una buena hidrofobicidad . Entre las proteínas con mejores propiedades emulsionantes están los case in atas. Las proteí,,;)5 &!o':;;Jll!~e, que pesee:! unl! estru::::Ui1 e:5ta· ble y gran hidrofobicidad de superficie (proteí-
71
!las del b:!~s:.!e:o, Eso:::m2.. o\':::~b!Í.:r.i:::.:!) sor. emulsionantes mediocres a menos que puedan desplegarse mediante algún trata.miento sin perder la solubilidad.
.d. 9. 2 Propiedades espuman/es
Las espumas alimenl1cias son dispersiones de gotas de gas (aire o COI) en una fase continua líquida o semisólida, formada por las lIa· madas lamin.illas. Lo mismo que en las emulsiones, hay que aportar una energía mecánica para crear una interfase y, además, se requiere de la presencia de agentes de superficie que disminuyan la tensión superficial para evitar la coalescencia de las burbujas de gas. Hay muchos alimentos que son espumas: merengue, nata batida, pan y otros producloS (\·éase cuadro 4.1). En la mayoría, las proteínas son los agentes-que ayudan a la formación y estabilización de la fase gaseosa dispersa, formando una barrera protectora elástica entre las burbujas de gas atrapadas. Una distribución uniforme y un tamaño reducido de las burbujas de gas dan lugar a un alimento suave y ligero y con mayor intensidad de aroma. El tamaño de estas burbujas es variable y depende de diversos faclores, como la viscosidad de la fase líquida, el aporte de energía, la tensión superiiclal. elC. Las espumas alimenticias son bastante inestables porque presentan una gran superficie en la inte:rfase. La desestabilización se debe fundamentalmente a: a) Pérdida del líquido de la lámina por gravedad, diferencia de presión O evaporación. Esta pérdida e:s menor cuanto mayor es la viscosidad de la fase líquida y el espesor de las proteínas adsorbidas a la interfase. b) Difusión del gas de las burbujas pequeñas hacia las grandes, que se produce siempre que hay una di50luci6n del gas en la fase acuosa.
72
fecnología de 10J AlimernaJ.
PI Componen/:rn de 1al alimental y prrxlHOJ
e) ROlura de la laminilla liquida que sepaía la fase g~5!OSa, b q!.!! ~rovoc."! l!~ aunento del tamaño de las burbujas por coalescencia y, como consecuencia, se pie "de la estructura de la espuma. La est;o.biliJac de las es?urnas se .e pote;:ciada por una baja tensiÓn entre las dos fases, una gran visco;idad d~ la fa;~ líquida,! por p~ liculas dI' prot~ína adsorbidas, reSistentes y elásuc.ls Para p:Jde¡ va!orar !Z5 prop!edade! espumant~5 d! las prcteínas es necesario t!ner en cuenta tr!S parámct ros: a) Capacidad de CormaciÓn de espumas: es
el área imerCada! que una protdna puede crear. Puede medirse detenninando el volJmen de la espuma en reposo (relación entre el volumen de la espuma y el yolumen de la [ast líquida inicial) y el paú, espumante (relación entre el volumen de gas en la espuma y el volumen de líquido en la espuma). b) Estabilidad de la espuma: es [a capaci~ dad de una prote!na delerrmnada para estabilizar una espuma freme a fenómenos de gravedad o.fenómenos mecánicos. Se e,'presa como el liempo necesaria para que se elimine el 50% de! [lquldo de [a espuma e) Firmeza de la espuma: es [a capaCidad que tiene una columna de espuma para soportar 'Jna masa determinada. Se determina midiendo [a viscosidad de la espuma. La~ propiedades espumantes de las diferentes prOleítlas se camparan frenle a las de una proteÚla patrón" que sue!e ser la daca de hueva, Al igual que otras propiedades funcionales, [a capacidad de fomar espumas aumendcias se ve afectada por divetwS factores. Así, a medida que aumenta la concentración de proteínas lo bace tambi¿n la estabilidad de [a espuma formada debida a que aumenta [a viscosidad de la ~!S! :fq'Jiea "j, por lo ta.o.:o, el !!fesor !!e !a ~ -
[fcu[a adsorbida; Sin embarga, no se ve afectada la capacidad de formaCión de espumas. E! pH es otra factor que influye en la capacidad espumante. En términos generales, se admÍle que una proteína soluble debe presentar una buena capacidad espumante '! una buena estabilidad. Sin embarga, [as espumas estabilizadas por proternas presentan la mayar estab i!idad en el puntO isod¿ctnco, la que se debe a que las atracciones electrostáticas In termoleculares qu:: se producen a estos valares del pH san máximas y aument~n el espesor,! la rigi· dez de las proteínas adsorbidas en la interfase airefagua dando cama resultado una mayor es· laollidad. Las proteínas .ion .. oc,? s.::!ubles en !I puntO isoc!Jéctrico y só[o la fracción soluble influye en la formacl6n de la espuma Como la concentración de ésta es muy baja. [a cantidad de espuma que se ¡orma es pequeña, pera la estabilidad es alta . La fracción insol uble no contribuye :l la formac:ió:! de espuma per~ la adsorción de una proteína insoluble puede estabilizarla, debida a[ Incrementa de las fuerzas de cohesión en la película de proteina. A un. pH diferente del punta isoeléctrico [a capaci· dad de fonnación de espuma es buena, pero la estabilidad es menoc. No obs:a;;te, ha,' prote:nas que presentan una buena estabilidad a cualqUier valor de pH. La presencia de sales en una dIsolución proteica Lnfluye en la solubilidad, viscosidad, desaoolamiento > ag.egadóu de pr:lt~!nas, por lo que afecta también a sus propiedades e3pu· mantes. Este efecto depende del tipo de sales y de la so[ubilidad de [as prO!einas en esa disolución salina . Así, e[ NaCl reduce la estabi lidad de las espumas debida a que provoca un dei· censa de la viscosidad. La presencia de iones Ca<- mejora [a estabilidad al interaccionar can [o.s grupos carbo.:u1icas de las proteínas. La adición de azúcares a una espuma proteica mejora su estabilidad debido a que incre menta la viscosidad y, por [o tanto, reduce la pérdida del liquido de las [aminillas. La presencia de lipido.s, aunque sea en cantidades muy pcqueOas, modifica las propieda-
des espumames ae ¡as proteína:>} .. que,ic ,:.::.'.::.can en la interfase lirelagua e impiden la adsorci6n de las proteínas duram.: la formación de espuma. A l estudiar las propiedades espuman!es de las proteínas es necesa rio dis tingui r entre las caracterlsticu requeridas para la tormacl6n de espumas y las necesanas para que una proteína proporcione una buena e5labi!idad. EsTas dos caracterisrlcas se deben a di(erenll/:S propIedades de las proteínas que, a menudo, pueden ser ar:tag6nicas, Una determinada proteína puede te ner una buena capacidad espuman re si su molecula es f!~:(lb!~ y, por to t~IO, se e~l¡end:: rápidamente en la interfue y si presenta un allo grado de hi · drofobic:idad ya que así mejora su orientaci6n Sin embargo, para que [a espuma sea estable, es necesario que alrededor de cada burbUja de gas se rorme una pe[ícula proteica espesa, con· tinua . elástica e impermeable al aIre. Todo ello está relacionado con la concenlraci6n de pro· teínas. las interacciones mtermolecubres y la capacidad de hidratación. Asi, la ~-casefna , que presenta una estructura poco ordenada, hace disminuir rápidame nte la tensión superficial y facilit~ h formación rápida de espuma aunque la peü::ula proteica que se !o~!. ~r. 1:1. in:erÚlse es fina y la estabilidad mediocre. De forma opueSta, la le-caseína se exhende poco en la in· terfase porque presenta una estructura más río ¡üh, pC'! lo que la formaCión de espuma es más lenta, aunque la pelkula que se forma es com· pacta y resistente y la espuma resultante más estable. Las- proleinu alimentICIAS que presentan buenas propiedades espumaatcli snn ta clara de huevo, hemoglobIna, gelatlna, proteínas de lac· \osue ro y prou'ura~' d~ trito, ~'I;. otras
4.10 . F!iacion de aromas Aunque las proteínas SOD compuestos inodoros, son muy susceptibles de captar aromas, por lo que este fenómeno incide poderosa·
¡-;-.e;¡:e e .. lJo.> p;.1;:;e:!3=es sens::-:Jles e::: las proteínas La c.aiJac¡d~j de r'ija~ aiO;;\,lS tiene dos 'ertientes: por un lado, puede resultar no deseable cuando se ai\,lden p roteínas a un nueyo produelO para mCJorar la textura y no se pretende modificar el sabor original. Sin embargo, puede res ullar benefkioso en aquellos casos en que se quiera modIficar el sabor, por ejemplo, en los productos ana:ogos de carne elabor.dos a base de proteínas vege tales textu rizadu, en los que es fun damental simular el sabor a carne. Por ello, resulta de gran inte rés saber exactamente cuál; .. el mecamsmo por el que estos compuestos se unen a las proteinas para poder faCIlitar su elimnaelón o, por el contuno, Ca· yoreeer su rija::ión y posterior liberaci6n durante la masticaCIón, La (¡Jaciór: de compuestos yolatiJes a las proteina.s sólc ocurre si bay lugare3 dlsponi· bies, es de cir, SI no están bloq uead os por interaCCIones proteicas o de otra naturaleza, Sin embargo, los compuestos apo[ares si pue den reaccionar con el tntenor bidrórobo de una protefna desplazando la InteraCCión proteina·p roteína. lo que puede dar lugar a una desestabihuclón o una modlficaci6n de la so[ublhdad CualqUIer factor que modIfique la confor· maci6n protei.;a innuye en la fijación de los compuestos Y o~áll¡es. Entre ellos: a) La presencIa de agua aumenta la fijaCIón
de sustancIas Yolátiles polares pero casI no afecta a Jos compuestos apolares. Se debe a que el agua fayorece la mov¡] idlld d~ los ccmpuestos yolátlles polares para encontrar lugares de fijaCIón. ~, Ltho UlmpuestC$ que cieaden a disociar las proteinn o redUCir las uniones disul· (uro mejoran la fijación de sustancias voláules, porque disllUDuyen lal interacciones hidrófobas. c) Una /'uerte proteolisis disminuye la fijación de compuest03 yolátlles. Asf, la proteolisls do:: la proteioa de soja e.s una ope-
ración hzbilual para elimine su sabor característico. d) La deJnatun.huclÓn proteica por el Galor aumenta la fiJación de compuestos volátiles al aumes::.tar el numero de enlaces hldr~fobos dis?Onibles ~) Los procesos de deshidrataCIón. como la IJOfihz.3o:i6n, Iiber2.ll los aromas ligados a las proteínas La retenClóll de compuestos volátiles mejora cuando las presiones de vapor son baJu '! están a baja concentración
4 . 11 _ Modificaciones I!!n los propiedades func ionales de las proleinas sometidas a procesos tecnologicos Los dIferentes procesos a los que se someten los alimentos duran~e su elaboración pueden modificar la funcior,alidad de sus pToteínas. Los camblOs producidos estln directamente relaCionados con el tipo y la Illtensldad del tratamiento aplicado S, son moderados afecta· rán sólo a la conformación de las proteínas mientras que los alotamientos muy Intensos pueden alterar también la eStructura pnmaria. Los tratamIentOS térmicos pueden provocar en las proteínas ¡Iteraciones en las cadenas later¡les de los aminoácidos. hidrólisis de los en· la.::es pep.ldicos 'i c,,"mbios es¡ru:turales. Las modificaciones ocaSionadas dependerán, ade más. de [a intensidad del tratamiento aplic.tdo, de I¡s condiCIones ambie;ltales (pH, concentra· ción iónica y contenido en agu¡) y de la natura· leza de la proteína; así, por ejemplo. cuando el colágeno se calienta a tempNaturas superiores a 6S OC en presencia de agua. sufre un desple. gamiento y aumenta su solubilidad. Por el con-
trmo, las proteínas a:Uofibrilares, en 12.5 mis· mas condiciones, se contraen, pierden su caplo· Cldad de retenciÓn de agua y pueden formar agregados. Las temperaturas de congelación tambit:n pueden alectar a las propiedad~s tun:ional~s de las proteínas, ya que la capacidad de formaCIón d~ puentes de hidrógeno entre p~ote{nas y agua esui reducida mientras que se potencia n tu interacciones proteína-proteína. Como re· sultado se obse rva una dLsminución de la capladad de retención de agua y una mayor precipitación y geli1i.cación de ciertas proteínas. Los tratamiento¡ mecánicos de reduc.::ión de tamaño, concret.1mente la mohenda de cereales o concentrados proteicos. fa\'orecen la absorCIón de agua o grasa, la solubilidad y las propLedades espumanles debido a que aumenta la superficie proteIca expuesta. Igualmente, durante la homogeneización de la lech~ ha}' una tragment:!C1ón parcial de las micelas en subunidades y. como consecuencia, mejora su capaCldad emulslOnante. Si las Nenas de cizalla se apllcan de una for ma mtensa I una espuma a1imenllcia puede re· sultar un sobre batido y dar lugar a una desnalVralización parcial de las proteinas con la consLguiente pérdida de la capaCidad espumante. Las Nenas de cizalla que se aplican en la textunución dan como resultado el alineamiento de las moléc.ulas proteicas favorecie ndo la formación de enlaces disulfuro y redes proteicas. En los procesos de deshidratación aumenta la concentración de los componentes no acuoSOS, por lo que se pueden potenciar las interacCIones protdna-proteina. sobre todo si la elimi nación del agua se reahza mediante la aplica ción de temperaturas elevadas. El resultado es una pérdida de solubilidad y una disminución de las propiedades surfactantes.
Copílulo 4; ProIe;nOI
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KI."lSELL.... 1. E , Y SOUClE. w. G. (1989): Food prOre/flS. The American OiJ Chemins' SocielY. ChampaiglT, [L MAN.l M . de (1990): Principia 01 Food elle. mUIr)". Van Nostrand Reinbol~. Nueva York PO~~ER .""""i Z. y (1991)' flUlct'onQ! prQPurirs 01 lood componenu. Academic frC$S San Diego.
a ibliografía BELlTZ. H, D. Y GROSCH. W. (1997): Ql.llmrCII de los aJmKItIOS. 2,' ea. Acribia. ülagou CHEFTEL. J C.; CUQ, J. L. Y LO RIE:-'"T. D (1989) : Proleill.(ls allmentarras. A~riblOl.. z:.a.agou. FEi';"NEMA. O R. (1996): Food clI~m:S10 3' ed Mued Dd:Le:. In:. Nuev2 Yo:\:
RESUMEN proleinc:1I Ion compot1entel moyorltorio! de olimen/Ol que influyen d¡rectomente en Sul corOclerist'COI senroñole l y, por lo 10'110. en su oceplobilidod lOl otlmen/os de Oflgen onimol poseen un gron contenido en proteínas, lo que les confiere un g re;¡ volar n'Jm/iv-o Les ,,:,,;:.ildades h;ncienoles de los proleínol de;>enóen de su compolicion ominoocidico y d.1o disposicien de los enloces que euobilizol'l su esm..ctvro . D,chos plopledodcs SOl! muy d¡y.rsos pela se pueden doslf¡cor en dos grande! grupos propiedades hidrodinómicOs y propiedades ligodol e los fen:::"'cnos de s'Jpetficle
5. lo ru/urizociÓf1 el un procela med,ante el cuol 101 pro/.ínol globulof" le transforman In libfi-
LOI
101
2 lo solubilidad de
101 pro/einos depende, además. de los propiedodel fisicoquimlcol de \o molécula, pH, fuerzo iónico. /e mperaru.o y tipo de dllol· vente . Ur.o bueno soluo,l,doo' permHe uno ciilper' lién rápido y comple/o de 101 moléculol protei. COI, lo que IIlulto esencial en lo elaboroción de di~erKls climenrol (0I0ldos, SdSOI, pulel, elc )
Iotll, proporciononé:. :lIi uno nuevo: lexn..ro a oquellol prodUCIOI eloborod~1 o be,e de pro/eír.os ~
6 Muchos olimen/o¡...{leche, helodol, montequillo. mahonelo) Ion mezdol de líquido! ¡nmiscibles donde 101 componen/el p.o/elcol desempeñan un popel preponderante en IU es tabilización.
7. lOI upumos al,menticios (merengue. pon, etc.) son d ispersIones de gOl en uno iOle conllnuo liquido o ICmilálido . El gOl es oire (o veces el dió"ido de co.bono) y lo fOle continuo uno diloluc,én acuoso que cont;'!ne prote:nol, que ion ka ;e1?::ns::~lel de 11: el'cb¡lióc:l
8 los pro/einOI IoOn compuesros inodorol pero IUIcepribles de captor oromOI, lo que puede relu~ lar beneficiolo en oquellol a limentos en los que le pre/ende modificar el IObor Sin embo.go, pyed, Jet per judiciol cuorodo le quiere modificar lo te"turo medionte lo adicián de proteinal y mon tener el Klbor originol
J lo "'K"olidad de 101 IIslemOI pro'eicos esró delerminado por el d.ómeuo oporente de los molécvlol que, o IU ~U:, es/á relacionado con los coroc/eri,· /icea propio l de coda prOleina y con 101 II'I/eroccionel proreino-oguo y proleíno-proteino ". lo gelilicoción proteico conl;,/e en lo formoción de uno red p role ico ordenado o partir de proteinOI previomen/e desllOlVrolizodol Dellmpeño un popel fundomentolen alimental, como di~er· s::;¡ ::'~d!lc'::1 IÓ"~1 oroducrol camicol coci· do l , pon, elc
9
lOI dHerenlel proceKlI o 101 'lIJe Je lometen los a limental dUfonle IV eloborocióri pueden mod ificar lo funciono lidod de 10\ pro/eínos. lOI cambios producidol el/án directomen!e relocionadol con el tipo y lo inlenlidod del Ita/amiento opl¡" coao
5 CARBOHIDRATOS
fl presente capitulo trltl de los Clrbohidutos r de sus propied.ldes fi. y Ñncion.. l« de m.1Iyor in:trH en JI rf'!dustri .. ;dimenlillri.l. l! u¡ lrnente, se estudi.n ~s tunJform.ldones que sufren por ICciÓ
5.1. Introd uccion Los carbohidratos son los primeros comorgánicos que se producen a parm del dió~do de carbono y el agui!.. merced a la ra· diación solar, en tas cl!luJas fOl0SUlt¿tlcaS de las plantas. De todas las sustancias orgántcas exis· tentes. los carbohidra10s son los más ampliamente c!~s¡~ibuldos y los más abundantes, es· tando presemes en los teJidos animales y vegetales así como en los microorganismos. En los animaJ!.S, el pnncipal azucar es la glucosa y el cJrbohidrato de reserva, el gluc6geno; en las plantas existe una gtan variedad de carbohidialOS siendo el almidón el de reserva por excelencia Los carbohidratos se consideran den tro del grupo de los numentes b'sicos y siempre han tenid o una gran importancia en la alimentación; incluso aquellos no digeribles se consideran de gran IIllerl!s para una alJmentaCJÓn equihbrada. Constituyen la pnnclpal fuente de energra en las dietas de la mayoria de los pue· blos del mundo. Aunque las proteínas proporcionan la misma energía por gramo que los carbohidratos y las grasas unas diez veces más, los carbohidratos diseribJcs favorecen la mov¡¡¡z~ ción de las grasas y reducen el gasto de proteínas. Además de su valor nutntlvo, contribuye n a que los allmemos sean más apetecIbles y de aspecto más agradable Los carbohidratos más utilizados por el hombre son el almidón y la sacarosa. por lo que [as !llantas que los contienen son [as m!s cultivadas y consumidas; es ImpOrtante tener en cuenta que los pollsacáridos no digeribles (fibra) se deben ingenr diariamente para consegUIr una actividad tntesttnal fisiológica correcta. puest~
5.2 I Monosac6rido$ Son polinidroxia!dehidos (atdosas) o polihldroxicetonas (ce tosas) de cadena lineal. En la naturaleza, los monosacáridos más abundantes son las hex:;>sas (6 carbonos) si bien lambil!n están presentes en muchas plantas los constitUidos por OliO número de carboDos (3 carbonos, mosas; <1 carbonos tetrosas; 5 carbonos, pentosas) as! como compuestos derivados. Los representantes típicos son la glucosa. la fru clo, S3 y la galactosa . Los mOf'.osacáridos se presentan en dos formas iso mérica~ denominadas c: }· Il. La foro ma o. es aquella en la que el grupo hidroxilo del carbono en pOSICión 1 de [a proyección de Flscher está orientado a la derecha, mientras que si lo está a la izquierda se denomina isómero Il. Cuando están en solución, las for mas lsoml!ricas se encuentran en equilibno y provocan cambios en la rotación específica de la solución. La Isomerización de los monosacárldos, catalizada por una base o por una enzima, Implica a un grupo carbomlo y al grupo hidro;tilo más próximo. consigu il!nd ose con ello la transformación de celosas en aldcs3s '/ vicev~:sa. Así, por isomerización, la glucosa se transfo rma en mar.osa y [ruclosa (figura 5.!).
H-C_O H-t._OH OH- t - H
H_ Lo+< H_t_OH I
eH"'" 5.2. Crasificacion de ros (orboh¡dralos
O-Glucosa
eH"'" I e_O OH-t-H
H-t_OH -
H_e_OH
I
CHzOH O·F".clOS
H-C_O OH-t-H OH- t -H
H_ ~_OH H-t- OH
I
CHzOH O·Maoosa
La clasificación más senCilla los divide en tres grupos: monosacándos, o[igosacáridos y ~c!:sad:;¿os
rlG-u.
CopifUlo 5: Corhoh¡drolos
79
5.3. ¡ Higrosco.oicidod Son polímeros conslltuidos por un numero variable de mODosacáridos (2·20). El numero y naturaleza de los pos i b!~s o'igosacáridos es. por lo tan:o, muy grande. pe~o s610 I!no~ ?o· cos se encuentran ea grande. caolidades en los alimen.os. y rnu.:hos de citos sor:: e! res!!!· tado de la hidróliSIS de 105 pol.sacaridos. estan compuestos normalmente por glucosa. galac. tosa y fruclOsa. Los más comunes son sacan)sa lactosa. maltosa , trebalosa (dlucáridos). n.finosa (m sacándo) y eSlaqUlosa (tetrasadrico).
5.2.3. Polilocóridc5 Son polímeros forma~os por mas de 20 mo· nosadridos dispuestos en fo:ma hne.:!.l o ramificada. Si todos los moo6meros constitu· • yentes son de un mismo azucarolos polisacári. dos se denominan homcglictUlOl (celulosa . amilosa, amilopectina). Si son de diferentes azúcares, se denominan heruog/icanos (go· mas) . La consiguiente diversidad de pO¡lsacá rid05 en cuanto a su compon:ión hace que las p ropiedades de estas mo!l!:culas de alta masa molecular sean muy dlstin las a las d~ los mo· nosacáridos que las constItuyen; asf, se disuel ven con mayor dificultad. no posun apen;;.. sabor dulce y sus reacciones son mucho más le ntas Los más comúnmente disuibuidos en la naturaleza son: en el remo vegetal. el almi· d6n, la celulosa y las pectinas, y en el al1lma!, el glucógeno.
5 .3. Propiedod e s fisicoq uimicos y sansorioles d e los monoso ccridos SegUIdamente se va a realizar una breve descripción de las propiecades de los carbohi· dra:os d: m:!.yor inter~s e:l T~cno!o~í:!. de los Alimentos
La capaCidad de adsorCión de agua es una de las p r opiedad~s fisicoquímlcas mb importanl e ~ de los carbo hidratos '! depende. entre Otros fa ctores. de su estructura. de la mezcla de iSómeros y de su pureu.. La h i gro~opic¡dad está reiaclonada directamente con la presencia de grupos hidroxilo, tos cuales 50n capaces de ltgar agua mediante el estableci miento de puentes de hidrógeno. Los azúcares impuros y 105 jarabes absorben más agua y a mas "'eloci· dad que los azúcares pUroS ya que las Impure¡a, ':¡fi::.:I:a~. e! estahle:ir.li:!!to ce reacciones entre los azúcares y dejan libres los grupos hj· droúlo que pueden unirse con facilidad a las moléculas de agua Esta propiedad d~ los caro bohldrato. puede ser favorable en unos casos y desfavorable en otros. Es favo rable si contribu· r~ a! rr.a!lteOlmiento de la humedad d~ algunos alimentos, como en_e! caso de los productos de panadería y pasteleria. ya que pueden formar una capa superficial que hmita la ~ rdida de a!ua en el alimenw Es desfavorable, por ejemplo. en el caso de los produc tos granula· dos o en poI \10, en los cuales la enrrada de agua condu~ a la formacijn ce agl.:>merados que Ii· mitan la posterior solubilidad d~ los azucares
Cuando se prepara una solución acuosa de un azúcar, se observa la transformación de unos is6meros en otros. Esta transformación se manifiesta con un cambio en la ro taciÓn especffica hasla que se alcanu un valor final que corresponde al momento en el que las formas Isomo!ricas se encuenuan en equilib rio. Bajo cond iciones normales pueden tarda r varias horas en alcanzarse el eq uilibrio y, en consecuen· cia, la rotación específica caracteristica de la solución. El cambio de unas rormas isoméricas en otras se sigue con faCilidad ~or polarime tn'a, y los valores que se alcanun son ca racterís tiCOS
para cada azúcar en unas cond iciones determi· r::!.':l:!.s, ya t;'.!~ n!y difer~nr!s fM:
5.3.3. EJtodo vitreo El estado vítreo es un estado amorfo en el cual la viscosidad es tan alta que impide la cristaliución de! azUcaro Es un estado p..xo es;:abk que puede alcanzarse por congelac:ón, concentrilción rápida o deshIdratación de una solución asi como por iusión ¡ümica de algunos azúcares cnstaltno$ seguida de un enfriamtento brusco Gue Impioe que lh moi~culas se ,e.;¡r6J.· nicen y formen un crulal. Los azúcares en estado vftreo son higroscópICOS, lo cual contribuye a su m~1ablhdad )1 que, al retener d agua, aumenta su movilidad y, en consecuenCia, la velocidad de cnsuli· zaciÓn. El ejemplo más caracten'stico de la presen· cla de azúcares e:\ estado vítreo en un alimento es el de los caramelos duros, q ue no son más que soluciones sobresaturada" de sacarosa cuya cnslaJitación se ve tmpedida por la aJta visCOSidad y rigidez en la masa y por la presencia de Otros a zúcares como glucosa y Jarabes dc ¡!!.Icos::.
5.34. Crula/¡zoclOn
Una de las pnnctpales caracteristtcas de los azúcares es su capacidad de fonnar cristales. Generalmenle,'la cristalización se consigue en· friando soluciones saturadas de los azúcares, con lo que se provoca la tnmovililación y reocganizac16n de las mol¿culas, fOllnándose un e:"is:l! los faclores que más IOOuyen en el creo cimiento de los c(ls:ales son Jos sl;:utentes: grado de saturaci6n de la disolución .:rlgmal, te mperatuu, naturaleza de la supertl :ie del cristal ~ naturaleza :- concentración de I... s Impurezas presentes en la disolución, las cuales pueden ad.<>,Jrberse a la .up~=ii:ie Cel crist.11 ~educien¿o así su velocidad de crecimIento. '=1 11empo de ::ristalitación :am!:li¿n mtlu~'e nOI.tblemente en el tamano de los criHales ya que cuanto más lento es el enlriamie:1lo, mayor es ellamaño de los cri"ales. Esto 11:ne un espec~al interh ya que no en todo! los alimento! ei deseable ta presencia de cristales de un tamar.o can grande que puedan llegar a ser detectados por el pala· dar; C3 el caso, por ejemplo, de [os grandes cris-. tales de (actosa que pueden aparectr en la leche condensada y que confieren una IU.tu ra arenosa que !lac~ :lol produc:o prkticamerHe re::nazaole
5.3.5 Invewón de IOJ azúcareJ La.... inversi6n de los azúcar~s. fundamen¡almenee de la sacarosa, consiste en una hidróhSls de su molécula bien por via er.zlmática (invertasa) o por procedimtentos fi~icoquímicos como la hidrólisu con ácido clorhWrico a te mo peratura elevada o la utilizaciOn de resinas sulf6nicas. El producto obteOldo se \:onoce como a;;úcar invcrtido y se encuentra de forma natura l e n la miel El t~muoo ¡n", esión bace refereacia al cambIO que se observa en el poder roUtorio de la disolución cuando tiene lugar la htdróli.s15; por ejemplo, la ro tación especifica de uoa disoluctón de sacarosa es de +66,5~, nue nt ras que la del azúcar inverttdo e.s -20-. El
Copirvfo 5: CorbohidrofCn
fenomeno cie ia tn~o::rs"m prO\'VC4 Uii au¡:;er.lO del sabor dulce y sobre todo un aumento de: la solubIlidad del azúcar deoido a que: la tructosa lIbre es mb soluble que la sacarosa Este he: · cho es interesante porq ue: aumenta la posibili· dad de incrementar la concentración de azúca· res en una solución.
:: ....:~~ s' -;!., .:!~I:;,:,,~~ -ti:: ...:: ",!,) ¿C'vt~. 0.:':":0.... ~ pI;>!
PE .n IOlueión PE 'n ÍCIr"'O alllo~1\O •
Alúcor
_.
Una de las propiedadcs más reconocidas de los carbollidratos es su poder edulcorante Sal· YO muy pocas excepcioncs, los mono· y o~jgosa· dridos poseen sabor dulce y se dIferencIan en· tre sí, en tre otras cosas, por su pode:r edulco· rante Los más Importantes son la sacarosa, la glucosa, la truclosa y los jarabes de: almidón. Normalmente el podu edulcorante de un azúcar no está en función de su concentración, por lo que es muy difrcil asegurar que un azifcar es 1'1 veces más dulce que otro. La medida de la tJ\te.llsuiad del ~bo r dulce se lIeya a cabo medIante la deterntinación del umbral de pero cepción del sabor o por comparación con una sustancia de referenCIa, generalmente la saca· fOlla, y3 que ésta destaca sobre los demas por su nbor especialmente agradable incluso a concentraciones altas (cuadros 5.1 y S 2). La intensidad y calidad del s:!.oor dependen DO sólo de la estructura del azúcar (la loteosi· dld del sabor dlSmutu)'e en los oli!osadridos con el aumento de la longitud de la cadena) $1 · no de la temperatura, pH y de la presenria de: onu sustancias que pue::1an iotertenr con los rec.:ptores del sabor. Por otra pat'le. eJUste una reli\ción muy estrecha enlre el contenido de azúcar y la apreciación de sustancias aromátl· cas presentes de btm. ~ e m~ color del alimento puede inflUIr en el juicio so· bre el sabor. La percepción del sabor dulce se bua, se· gun la hipótesis propuesta por Schalleoberger y Acree (1967) (figura 52), en la existeaCla de un SiStema donador/aceptor de prOtones (sute. ma AH/B,) en el alimento que puede entrar
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rn conUctO con a!!ún SIStema complementario {sutema AHfB,} de! receptor (papdas gustall· \as) mediante el establecimiento de puentcs de hidróg~no.
La dIstancia entre el H unido mediante en· bce coyalente a A y el orbital electronegativo (8) debe ser al menos de j Á para que se esta· t·(-- d pUCll~ de hidrógeno intermolecular AHIB_ Recientemente se ha ampliado este modelo af¡adiendo la eXIstencia de grupos !lidrÓofobos (X) en los uúcares (grupo rnetileno, me · tilo y (euilo) que son atraidos por grupos simio lares dIspuestos en el receptor gustativo. Us unidades actiyas (AH, 8 Y X) deben estar si· tuadas de tal maDera que las tres entreo en
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flOUU 5 2, reorio de Scnoll."be,S" y Acr.. JOb•• Jo ~fc,pclón del r.obc. dvk.
contacto con el ccnlro receplor Esta ordena-
ción es la
5.4.
b~
de la teoría.
Prop ¡~ dod es funcionales d e los polisocá ridos
Las propiedades fundo!'.J.les de los pollucáridos están ¡ntlmamenle relacionadas con su estructura , tamaño y ruerzas moleculares secundarias, principalmente las que dan lugar a puentes de hidrógeno. 5.4.1 Solubilidad
La mayoría de los polisacáridos que se Ingieren en una dieta normal son insolubles (celulo$,lI, hemicelulosa) y son los que aponan al alimento propiedades como la coheSión, textu·
ciosos para la salud contribuyendo a una motilIdad tntestmal correcta. El resto de los polisaciridas san solubles o dispersables en agua y son los responsables de la VIscosidad , capacidad espesan te }' gehEicante: debido a ello, su presencia permite dise/\ar alimentos con for mas y texturas ~specÍficas Los polisacándos son pohakoholes coruilituidos por ullJdades ghcosidlcas que, como mecha, conm:nen tres grupos hidrOXIlo que pue· den establecer uniones (puentes de hidrógeno) con las moMcu!as de agua de lal manera que cada molecul .. de pollsacando puede estar totalmenee salvatada y, por lo lanro, pennane~r totalmente disuelta en el agua Esta unión hace que los polisac:ándos modIfiquen y conuolen la movilidad del agua en los ahmenlas y que el a~ua influya notablemente en las propiedades fíSICas '! funcionales de eitos compuestos. Juntos, los polisacándos y el agua, controlan muo chas propiedades funCiOnales de los alimentos. incluyendo la textura El agua de hidrataCIón que eSlá umda me · dlante puentes de hidrógeno no lo está en un Y.:!'!lido est~ic ~ c ya ~U:. aunque poca, presenta una mOVIlidad que hace que las me l!!:cu\as puedan cambiarse libre y rápidamente por otras meleculas de agua De hecho, el agua de hidratación conmtl:ye sólo 'Jnl peqt.!~!I.l ;>an! dd agua tata! prese:He en los geles y en los tejidos, mientras que el agua no ligada a los polisadridos ~ situa u. capilares y cavidades de diierente (amano. Los polisacirldos en disolución pueden actuar como crroprotectores evitando o controlando la formación d! cnstales, debido a que los polisacáridos, al aumenlar la viscosidad de una disolución, provocan un descenso de! punto de congelación y limitan al máJumo la movi· lidad de las moléculas de agua evitando asr la cristalización Además, los pohsacáridos pueden adsorbc:rse en los nlicleos o puntos activos de un cmla! Impidiendo su crecimiento Por elJo, en los alimentos almacenados en congela-
COplMO 5. Corb~"drolOs
cióo, los poll.5;iciridos son muy efecti..os como agenles prOleClores trente a camolOS estruclU· rales y de texlura.
5 . .1 2. Hidrólisis de leu polisocáridoJ Los poltsacáridos son relativamente poco es¡ables y pueden surTIr cambios óurante el procesado y .lmacenamu~nto de los ahmentos que 105 conuenen La hidrólisiS de los enlaces ghcosfdlcos puede hacerse de forma eOllmalLca o en medIOS áCIdos, generalmente, la b¡dróll5Ls tiene lug~~ más rápidamente durante el trata· miento t~ rm ico. La despolimerizaclón lleva conSigo un descenso en la viscosidad y por ello, cuando se p rev~ una hidrólisis es conveniente incorporar una cantidad mayor de pohsacárido para evitar el cambio de la viscosidad mante o niendo la textura del alimento en las mismas condiciones, En el caso de la hidrólisi1 enzimjucI, ¡. efectividad del proceso depende de la espeCI ' ficidad de l. enzima, del pH, tIempo y temperatura Además, hay que tener en cuenta el importante plp!!1 que las enrimas mIcrobianas d esemper.an en 13 hid¡óEm de los pohsac' ridos.
5.4 3 Viscosidad Todos los pohucáridos solubles forman soluciones viscosas debido a que se t;a:a de gran des moléculas La viscosidad de una dIsolUCIón de polt5lcándos está en func ión de la forma y Umar.o de su molécula y de la conformación que adopte en la disolución; a su vez, la (orma de los pohllcáridos está relacionada con la fu erta con la que se establezcan los enlaces g!icosidlcos q ue unen las subunidades que lo constituyen de tal forma que cuitndo las unio· nes son poco rígidas, la fl exibilidad de la molécula es mayor y, en consecuencia, las móll!:culas pueden adoptar distintas conformaCIones. La forma del pohsacándo tambll!n se ve in/lUida
83
por las cargas superficiales y por las reaccionc.s de auac.::¡ó;}/repu[sión que pueden aparecer; asi, los pohsacáridos lineales suelen tener un solo lipa de carga jónica, siempre negativa, demada de la ionización del grupo carboxilo, que es la que establece unas tuertas de repul· slón que obligan I la molécula a adoplar esa configuración. Cuando están en d:solu:IÓo., los pohsaclri. dos giran libremente ocupando un espacio que se conoce con el nombre de lIo/wr.rn e/ecnl'o SI el polisacártdO es lineal (figutl 53), al girar, por razones de tipo esténco, las molécuias ocupan más espacIo por lo que choc.an unas con otras onglnándose una friCCión que provoca un aumento de la viSCOSidad y un consumo de energía A igualdad de nlasa molecular, si el polisa· cárido está plegado o ramilicado, el volumen efectivo disminuye , por 10 que en disolución ocupa menos espacIQ.y es más difícil que se en· cuentren y choquen unas moléculas con otru, con lo que la visc05idad seri menor. En canse· cuencia, a igual concentración, los poltsacáridos ltneales forman disolUCiones más viscosas que las preparadas con polisacándos ramificados O plegados Por ello, desde un punto de vis· ta tecnológico, los poh5acándos hneales son más utiles que los ram ifIcados para elabonr soluciones viscosas o geles CualqUIer factor que Implique que una mo· lécula lineal adopte en disolución una forma más estirada provocará un aumento de la vis· cosidad y, por el contrario, si provoca la aparición de formas menos extendidas (he!icoidales) disminUirá la viscosidad de la disolución Esto quie re decir que los componentes de los ahmentos pueden in flu n positiva o negatIvamente en la viscosidad de disoluciones de polisacá ridos; as í, los azucares libres pueden competir por el agua dejando menos cantidad disponible para los po¡isaciridos; con lo cual éstos est ablecen puenles de hidrógeno consigo mismos o con otras moléculas apareCIendo estruClUras de hélice o doble héhce que dismi· nu)'en la vi~wsidad ) i .. v"re~(n li ¡p¡.i:i;5~
84
feCltOlogio de 10l Alimentol.
A
PI Componen/es de los ol.mentos y procela'
8
L'r. gel e~ ur,.1 red :f~'~; ;l~¡H;,)n.ll que ,j~¡, atrapada en su mlenor grJn cantld.ul de 11111 (ase liquida continua l:.n 1.1 m.lyOf¡a d~ lo~ ,1 11 mentos, la red del gel está formada por f¡brJ~ de pohrneros unidos unos a Otros por puente~ de IHdrógeno. 3S0C;,3':lones hidrofóblcas fu erzas de Van dee WaaIs, enlaces lónicos o cova· lenles, mlenlCas que la fase líquida es una solución acuosa de soJuras de baja masa molecular y fragmentos de cadenas pohméricas. La formación de en gel a partIr de un polisac.indo se !.le\'a a cabo en varias fases (figura 5";).
A
e Formas alealonas y hehcoiclales
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Mice/a
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8
FiGUiA 5.J Volumen" .f.ciÍvo, d. lo, doler...I", 11· pos de poIisoco,¡dos. A: lineol. S. Flesodo C. ro' mificodo. O: olromente ramilLcodo.
e de geles, Las sales también compilen por e l agua de la misma forma pero actuan al mismo tiempo como contraiones para los polisacári· dos, disminuyendo así los efectos repulsivas y favoreciendo la aparición de eStructuras hcli· coidales e incluso la precipitación del polisa· cárido
flGUiA 5.4. Elquemo del proo:;:.~ d.lormociÓtl d. gele!
Capitulo En pn!ner h.!g~ hay O de dobles hélices si [os puen
5~
Corbohidro'os
85
me v estable contiene en torno al 1% de polímero y un 99% de agua. E;: el caso de los pohsacárido5 r3.!l'.iíicados o los que poseen grupos cargados nu se pueden ob tener regiones de tipo cristalin:L ante la dIficultad de que se formen zonas de unión pa. ralelas y de carácter estable, bien pO! impedime.:,:> ~st~j¡c" o por reaccIOnes de r~puls i ón Generalmente, estas moléculas dan Itlgar simplemente a soluciones viscosas estable~ Los geles lienen propIedades de s~lido y 1;_ qUldo. Cuando las moléculas forman 11 red tridimensional, la solución lrquida camba adop. tanda una estructura simIlar a la de l!CSO Por ello, la ele:cción de un polisacárido u OtfO para una detenninada apILcación depende básicamen te de la VIscosidad o fuerzn del ge l deseado, de sus caracteristicas reoióg;cas, dd pH de! sIstema. de la temperatura du/ante el procesado, de las mleracciones con otms ingrediente5. textura y de l cOSle de las c3nlldades requeridas para obtener los resul tado:; que se desean
5.5 , Transforma dal1es de los carbohidratos por accion del calor 005 son las prrncipales transforrraciones que-neUeT, lugar: caramehzaci6n y pa.rd ~amien to no enzimático
55.1. Coramelizoción El calen tamiento de los carbobidrat05. en especial el de la sacarosa y orros azucares re:·
ductore!, en ausencia de compuestos niHogenaao~, da lugar a un conjullto de complejas reacciones conocidas como c.aramtlizaci6n . Estas reacciones se ven fav orecidas por J.a presenci¡ de ácidos y de cienas sales. En I~nninos ge· ner¡ les, la tennolisis provoca reaccIones de des hid ratacIón de los azúcares con la introduc· clón de dobles enla~s y la formaci6n de anillos Insaturados (por ejemplo. levoglueosano) . Es· tos dobles enlaces absorben luz y provocan la aparición del color, mIentras que los anillos se condensan unos con ouos para prodUCIr polimeros que poseen color y aroma Los pIgmentos responsables de los colore s del caramelo son polímeros de estructura va· riable y compleja y, en algunos casos. desconocIda ContIenen grupo! hidro:t:ilicos de acidez vattable, carbonilos, cubo~ Il os. enóllcos y renólicos . La velocIdad con la que se forman aumenta según 10 hacen el pH Y la temperatu-" fa, asi, a pH 8,0 es diez veces superior que a pH
6.0 Los pigmentos que aparecen durante el pro· ceso pueden ser de tres tIpOS Caramelo de color pardo aparece cuando se cal ienta l!na soll!clón de sacarosa con btsulfito amónico. Se usa en las bebIdas tipo co la, otras bebidas ácidas y jarabu Estas soluciones son ácidas (pH 24.5) Ycontienen partic ulas coloidales con ca rgas negativas Ca ramelo ro}i!o' aparece por calentamiento de I::t gb,osa en ;Jresencia de $J. les de amonio; cuando ocurre en disolu· ciones acuosas, ~s l as presentan un pH enlre 4,2-4,8 y contienen particulas coloi· dales con cargas posi tIvas. El caramelo rojizo se aprovecha en productos de con· fite ría y jara bes fundamentalmente Ca ramelo de co lor pardo-rojiZo : se ob· tie ne al ca)entar "'lúcar $10 sa les de amonio; está consul uido por particulas coloidales con cargas negatIvas, tiene un pH de 3-4 y es el responsable, en lre ouos, del coior de malteado en la elaoo -
racIón de cerveza y de o tras bebidas al· conóhus La caramehZl\clón de la ncuosa, qUlds la más Importante par ellmpho abarm:o de POSIblltdades de U$O. requIere temperaturas en lor' 110 a los 200 Aunque el proceso de CarMl1e hza'lón es muy compleJo. a 160 ·C se obse:'\'a que la sacarosa se separa en glucosa y iruclosa '! a 200 ·C se dIstinguen tres fases bIen dlferel1
oc.
.5 5.2. Pcrdeom;f!(llo (10 eflllmólico Bajo la denom Inación de pardta m unto 1\0 o reacmSn dt Ma dlard se engloban una serie de reacciones muy complejas median · te las cuales, y balO determinadas condiciones, 10$ azúcares reduclores pueden reaccionar con las prOtetn3S y produclt una $ClIe de plgmemos
C:f1l!málICO
Capitulo 5: CarborudraloJ
de color pardo-oscuro y unas modIficaciones en el olor y sabor d~ los alimentos qC! son deseables en algunos casos (asados. tostados O friluras) e Indeseat:les en otros (colores oscuros que se desarrollan durante el almacenarruento de los alime:Hos) El nombre de p.lrdeQmienlO no enllmdo"lCo s¡r ... e para dIferenciar estas reaCC10nes del pardeamtento ráp:do que se observa !n las frutas y en los vegetales como resultado de las reaccIones cata litadas por polifenol·oxidasas y que llenen lugar entre el oxfgeno > un sustrato fenóllco sin la Intervención de carbohidratos. El pardeamiento no enzimático se presenta durante los procesos tecnológicos o el almacenamiento de diversos alimentos. Se acelera por el calor y. por lo t¡¡nto, se acusa en las operaciones de cocci6n. pastenzaci6n. estenllZaC16n y deshidrataCIón
A) Desarrollo dt: la w¡ccidn
Los sustratos de es tas reaccIones son compuestos con grupos carbonllo, fundamen talmente 10$ azucares red uctores, pnnclpal . mente la D-glucosa. otros compuestos como el ácido asc6rblco, la vltamma K y los on ofenoles tambH~n pueden Inter... e01T en la reaccIón al poseer gru?os carben/lo, El otro sustrato de la reacción está constItuido por los ammoácldos básicos constj(uyente~ de las proteinas cuyo grupo a:nino hbre reacciona con el grupo carbonllo de los azucares reductores. EVIdentemente. la velocidad de la reacción dependerá de la naturaleza de los azúcares y del tIpO de aminoácido que re,lcclone, lo cual justIfica que el pardea miento no enllmátlco sea dIferente de unos alimentos a otros_ El desarrollo de la reacción conlle ...a la siguiente sucesión de reacciones Condu!SociÓII dt: Mad/ord Es la pwnera reacción que tiene lugar y consIste en la con densaCIón de un grupo cárooni:" lit\[<:. > de un
87
grupo amlno de acuerdo con el siguiente esque~a:
aklO1ol
am\nQK ..jo
01(0'"
p¡o(e:"~a
(H-¡
=COH-!'\H-R .-+ =C=NR "- H!O ~Ise
de Schlff
Las bases de Schift son compuestos inestables ql.!e se isomerízan rápidamente para dar aldosilamlnas si provienen de una aldoJa. y cetosilammas s\ provienen de una cetosa. Las aldosilammas sufren una reestructuración mlerna (rusrrucr-,J.raClóll dt: Amadon) y se transforman en cetosaminas. mientras que las cetosilaminas se con ...ierten en aldesaminas me diante la rt:u:!rrucluraCldn dt: Ht:y'lS o de Amador! invusl1 Las ce tosa minas son compuestos relativamente estables y se forman con un buen rendimiento cuando el contenido en agua es del 18% . como mínimo,
2 Dt:gradocidn de las CeIO!amlna!. Una vez formadas. las ce losólmlOas se van descompo· nlendo medIante una red de complejas reaccio· nes dando lugar a compueStOs o.-d¡carbonilo lOsa tu radas. potentes precursores de pigmentos. o a reduclonas, sobre todo si el medio es alcaltoo (figura 5.5)_ A partIr de las reductonas pueden formarse. medIante reacción con aminas secundanas, compuestos susceptibles de pohmeriz.ación y pueden sufrir eSCisiones que conducen a la for mación de celonas, aldehídos y ácidos voláliles que contribuyen al sabor y aroma.
3. Degradación de Slruku. La última secuencia de reacciones, COnocida como dt:grudación dt: Slreckt:r. tiene lugar cuando los compuestos o.dlcarbonilo reaccionan- con o.·amtno~cldos produciendo su deg/adación y se desarrolla cuando los alimenlOS se caltentan a .:!.hs !empcratura5 (figura 5.6)
Como cense :.uenda de eHas reacciones, se " I
originan ¡ldehidos con un átomo de carbono menos c¡ue el 1:r.::10ílcido inici31, dióxido de
H I
IH-f-OH) ,.,
carbono y nuevos compuestos carbollllo. Estos últimos pueden reaccionar entre si, con los aldehídos o con tu sustancias amino y producir compuestos vol itiles aromáticos (carbonitoi),
C!'ipH
deseables o no, !alu como las pUQtlntlS, enue
ti -C- N-A
b-O Ce:osamina
Reduclona
Compl.1esto o-
ÑGLIV. 5_5_ E!tn,¡duro de los pti"cipoles
compue,tos de degrodociÓtl d.lcu ce~O'OM'''(U ~
las que destaca la dimetllpirazina que es, por ejemplo. el constlluyente del aroma de las patatas chip! El ta reacción se utiliza para pro· duclr los aroma; caracteristicos de ciertos ahmentas, como el chocolate, la mie:! j' el pan. Las :e3ccion!5 con:inuan, espe::ia!mente a pH bajo (5,0), para dar compuestos Interme· dios en los que lparecen fUfanos. A valores superiores de pH, los compues[Q$ cíclicos foro mados pollmenz3o rápidamente para dar compueslOs de color oscuro que contienen siempre nitrógeno En la fa),>!! inicial no se observa la aparición de color p
OH
-c=o I -C=o
-C=O
I
C=O
I
I
-C=N_CH-R
O
-C-OH
A- e?
I
'H
_C_ N ,.,CH-R
-C - o
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HUrfflS
:-¡ .
•
compunjas carbonilo
-CH -OH
flGUU 5.6. E¡quemo del d'$Qrrollo
d.la reoceiÓll de Sll"*;ker.
O,
Capilllla 5: CarbohidroloJ :;:~~:6::. ~~ c:~_;:::.:~st:>! c:-dic_1rt-or Ho_ En I!'Uchos casos se observa lamblén un JumenlO del poder reduclor a'::':::If::.~ai'iado ele [a ;paricióc el.: amino-azúcares En las fases finales se observa [a aparición de pigmentos de colol' pardo-rojizo inlenso que no se decoloran por .a presencia de agentes decolorantes como los sulfitos; [os pigmentos responsables del color s:m las mtfa noidintu coloidales, moléculas galldes e iosolubles que surgen como re sultado ¿e complejas reacciones de polimerización '1 condensación. El seguimienlo de la reacción puede realizarse colorimérric¡menle a J20-49Q nm. por separación .::romatoyáfic3., rnidienc!e. los niv~les de dió;tido de carbono '1 por anáh!is de 105 cs pectros en el ultravioleta (UV) '1 el infrarrOJO El pardeam¡ento no enzlmático ·~s responsable del co lor oscuro de 10$ asados '1 las fn tu ras. del chocolate, de la conela del pan '1 productos de pastelería. Sin embargo, la reacción de Mai · lIard conlleva un descenso del valor nulriti ~'o del alimento ya que implica la deHrucción de ammoácidos básicos, como la IISlna. aminoáci 00 esenCial cuyo g:n:po E-an,ino reacciona con los azúca res y otros aminoáCidos como la L-arginina y la L-histidma. la pérdida de áCido aScórbico y vitamina K. cuando están implica dos en eSlas reacciones. contribuye tambu!n al desce nso del valor l1ulritivo Sin embargo. la ausencia de color no asegura el mantenirruento del valor nutnt¡VO ya que los ammoj cidos bisicos reaccionan con los az.úcares al principio del proceso. es deelr. mu.c.bo antes de que se desan-ollcn 105 colores Además, en la degradación de Stn:cker se produce la pérdida de otro aminoácido ya...que implica la interacción entre un a -dicacborulo y un a-arrunoAcido, lo que U1fluye nOlablemente en el descenso de! valor nlJultiva del alimento_ En co",~:ocia. Cl.IaJ · qUler alimento que contenga proteinas y azucares y se caliente, aunque sea a temperaturas 00 muy altas y durante cono tiempo. sufre perdidas de aminoácidos esenClalC3 y, por 10 tan to , de su valor Dutritivo. Quo efecto poco favorable del pardeamiento es que las reacciones de Mail!art! y de Suec-
89
h~. !i son muy iOlensas. producen sabores adversos y dan lugar a algunas swtancias poten:b. !~=nt e tóxicas, ¡tS pur:d!Vloidir:QJ. que pueden contribuir a la formación de nitrosami. nas. además de tener carácter mUlagénico por sí mismas
B) Factores que influyen tn tI pardeamitr:/o no en~lmá/ICO El desarrollo de In reacciones de pardea . miento no enltm!uC'o de pe nde de d¡f!rentes nriables' 1 pH El efecto del pH es muy significat i6,0 disminuye la velocidad a la que se desarrollan las rucdooes de pardeamiento; se debe a que a estos va lores de pH, el grupo ammo se encuentra caro gado positivamente y se inhibe la formaci611 de la glicosilamina Además. los medios fuertemente ácidos o alcalinos cataliun la Iransformación directa de 105 azúcares en compuestos carbllmlo ¡nsaturados, capaces de polime rizarse (figura S.7) Cada una de las reacciones que intervienen en el pardeamienlo tiene su pH óptimo. L.as pnmeras reacciones tienen lugar a pH próxi mos a la neutralidad mientras qUt la degrada ción de las cetosaminas y la aparici ón de los pigmentos se re3liza ópllmament~ a pH infenore3. Resulta evidente. por lo tanto, que la acidificación de un alImento, siempre que no se alteren sus caracteristicas sensoriales, ralentizará e incluso impedirá el desarrollo del pardeamiento. vo ya que a valores inferiores a
2. A cti."idlld de ligua. En ttnninos generales, la velocidad de pardeamiento es mayor a medida que aumenta e! contenido de agua (figura 5.8) puando por un m1J:imo entre 0. comprendidu entre 0,60-0.85. Por el contrario, los alimentos deshld ralados a nive! de la opa monomolecular de asua son los más estables
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-r 3
Copitvlo 5. CorbohidroloJ
glicosilarrunu hasta los 8O-1.SO timol necesa· rios para la fonnación de pigmentos. la enero gía que ~ aplica en forma de calor es, por lo tanto, necesaria para el desarroUo de las reac· ciones. Esto quiere decir que cuanto mayor ~a la temperatura, mayor es la energía que se apli· ca al Sl5!ema y ~ acelera el desarrollo de las reaccIOnes Inctuso en ausencia de catallzado· res. Por el contrario, si las temperaturas son bajas, el pardeamiento no enzimático se inhibe e incluso puede llegar a no producirse Teniendo en cuenta esto, factores} estableciendo un control del alimento. se puede minimizar el desarrollo de las reacciones del par· deamiento no enzimáuco de diferentes formas: a) Controlando los niveles de humedad pa·
b)
e)
d)
r)
ra que sean los más bajos posibles. Evitando las temperaturas altas, sobre lodo en los periodos de almacenamiento del alimento. Así, los alimentos deshi· • dratados deben almacenarse como muimo a 25 ·C y en envases impermeables que los aíslen de la humedad. Bajando el pH del alimento todo lo que su ~st3b![idad pueda permItir. Así, la le · che no puede acidificarse ya que se pro· vocaría la precipitación de las protefnas. Eliminar sustratos reactivos, normalmen· te el azúcar. Un ejemplo típico es la elimi· nación de la glucosa mediante la acción de la glucosa·oxidasa en el tratamiento de los hue,"os que van a ser deshidratados Incorporación de agentes químicos tales como dióxido de azufre y sulfitos. Estos agentes eVitan la aparición de los pig. mentas de color pardo. pero no evitan el descenso de! valor nutritivo ya que la de· gradación de los aminoácidos liene lugar antes de que se formen 10$ pigmentos y, en consecuencia, antes de que aCUlen es· lOS compuestos (figura 5.9).
Los sulfitos se combinan básicamente con el grupo carbomlo actIvo oei azucar red uctor. Es más, estos compuestos tienen muy poco ef~cto
I I
c""Q + HSO,NI ••-
_.
91
I OH e::: I SOfla H
H
r:
1 I C=ro·A • HS0l'
A
H-b H-~
,
"-6
O
NHR
5014a A
H-t-SO.Na
I
•
+ HSOfla- H_C_'i
H-e-SO,/'l. I
OH
FiCUtlA 5 .9 . Modo d. OCruOC:lbn de los su!f¡tos como inhibidores del pardeomlen!o no enzim6:ic:o.
en la degradación de Strecker. a la que se con· sidera como uno de los punlOS más importan· tes de pérdida del valor nutntivo. El control del pardeamiento no enzlm;itico es importante por diferentes ratones: a) En muchos alimentos el pardeamlento es
deseable por el color y aroma que pro· duce, mientras que en aIras es indesea· ble ya que el cambIO de color puede ha· cer al producto rechazable desde el pun° to de vista estético y sensorial. b) Evitar el pardeamiento no enzlmático es deseable para mantener intacto el valor nutritivo del alimento. Esta pérdida es muy importante en los alimentos en los que la lisina es escasa, como es el caso de los cerea les (tostado de los cereales. aconezado del pan). e) La presencia de compueslo~po tenci al · mente mutagénicos como los resultanles de la rea cción entre la O-glucosa o D· [ructosa y L·lisina o ácido L·glutámico o precursores de nitrosar:linas (p.ernela· noidinas)
92
recno~l¡o de los Afimenlos (/1 Componen/es de
5.6. Principcles polisocáridos A continuaci6n ~ van a descnblr las carac· ter(sticas mb imporlantes de [os principales polisaciridos, algunos de ellos de gran in ter~s en Tecnología:le los Alimentos.
5_6.1. AimicJ6n A) EJffucrura
El almidón o:s un polímero que se er:cuentra en los vege tales realizando una función d(: re· serva. Se locah~a dentro de pequeños grdr.ulos cuyo tamallo y apariencia varia según las plan. tas en las que !:e encuentre . Los gránulos pue· den ser observitdos por microscopía con luz po. lanzada u ordinaria (aparece n birrefringenres) así como por difracción de rayos X, mosrrando
los ol',"&IIIoJ y p rocelOI en .:ua4uiu c.s.1 una es:rucrura crisu,iina. Su tamaño y forma vanan de unas planlas a Olras según el SIstema biosintenco y las condIciones físicas del entorno del tejido. Los gránulos de almidón están constituIdos por dos polisacándos difecenres: uno de estruc· tura lineal, la a''111050, y otro de estructura ra· mificada, la omdopecur.a (figura 5.10). En la amilosa, ¡lIS moll!culas de D·glucosa se encuentran umdas mediante enlaces ghcosí· dicos a·t,4. El número de moll!culas de glucosa varía, según las upecies, desde unos cientos hasta mlles_ En la mayoría de los almidones, la amllosa representa en tomo al 17·30% del (O. t31 salvo algunas e .~cepciones (maíz) que ?uede constitUIr hasta el 75o/~ . En el gránulo de almid6n, la amilosa se en· cuentra. en forma cristalizada uniéndose unas moléculas a otras mediante puentes de hidróge. no. En disolución, las moll!culas de amilosa se
A/o.'ILO~
.... M.LOPECTlN....
fIGURA 5.10. EWvCfUfO de lo, pol¡wcizridc» comliluyent., del o!m¡dQn .
Cap. luJo 5: CarboJ,idtoloJ
presentan en fOima de !".é:;.:,e e.. :¡ .:; ... e ;¡;;!J. vuelta esl' tonnada por 6 unidades de: glucosa, y son capa~s de mclulr a Otras moléculas como 'cidos grasos, iodo e hidrocarburos formando 10$ denominados computSIOs dt rnclu,n6n. La molécula de arnilope:clina e:s ramificada ya que: en cIertos puntos de la molécula presenta enlaces a ·1.6. Las ramificacIOnes son relativamente cortas y conueroen 20·30 t.mlrlades de glucoia_ Con el iodo, las soluciones de amlloptclHla dan un color rojizo. Duranle la cocción. la amilopectina absorbe mucha agua y es, en pane, la responsable del hiochamlcnlO de los granulos de a1rrudóo_ Debido a su estructura r¡mllicada, la anulopeclina 00 tiene tendencia a la recristalizaclón y, al conu ario que la arrulosa. las disoluciones de a~lopectina no retrogradan.
B) Gdatinit.aci6n
Los gránulos de almidón no son solubles en a¡U3 fria aunque sí peeden absorber CIeN canudad de agua ocasionando un pequeno hmchamiento. Sin embargo. cuando aume0l3 la temperatura. las moléculas del almidón VIbran con. fuerza rompiendo los enlaces in(ermoleculares y estableciendo puentes de hidr~eno con el agua provocando un hlOchamiento acompañado de u.n descenso del número y el tamalio de las re · ~nCl cristalinas, como lo demuestra la péuMa de bilT'!=-mg!llcia y la naturaleza de la diúac cióD de Tayos X. En este momento la VTSCOSi · dad de la soNción aumenta conS\derab¡emer.t~ ya que con el hmc~amieD to. les grtnu!es se ar:! · blerc.n unos 11 ClUa&:; .la disolUCIÓn pw:de llega: '3 tener incluso aspecto oc Ulla p/Ulll. Si se pro longa e[ tratamiento ttoruco, los gránulos e/er cen UIla fuerte ~ión Il<.tl'l CXlfi attOS y pueden llegar a romperse si se agita [a disolución, [o cual provoca una disminución de la VIscosidad . En este momento desaparece la birrdringencia y se conoce como pu.nlO o temperatura de ,ela. rUv lc.cUj" . SL la pasta de almidón se enfría se puede rormar un gel y SI se somete a un hgero calen·
93
pueden rormar un r/recipLlado de nat ura leza cnstalina. este knómtno se conoce como reero. gradación. La gelatiniución jel almidón, la viscosidad de las saludones y las características de 105 ge. les formados de~nd{ n no solamente de la temo pc:nuura sIno tamblé - del reSto de los componentes de la solución ya que, en muchos casos, e! a[mldón está acompanado por azúcares, pro· teiniU, grasiU, ácidos yagua que pueden reaccionar ::on el almidór retardando o impidiendo su uQlón a liU moltculas de Igua y. por lo tanto, retatcu el hmchamierllo de los ¡rinulos.
Las propiedades fe 105 almidones pueden modificarse mediant,: diferentes Itatamientos con el fin de hace rlos adecuados para su incor· potación como mgreC!LeOleS de los ahmenW5_ Una de IUTlodtllcaciones más simples es ti Ifotamiento COII ¡!cldos; para ello se hace reac· cronar una solUCiÓn del 40% de almidón con ácido sulflirico O clorhídrico a 15·SSoC durante un tiempo que oscila enere 6-24 horas. Los grá. nulos no se ven muy ofeclados, pero los ácidos penetran en los espac.ios intermicelares y provocan la hidróliSIS de un pequeño numero de e(!!a.~s, sobre todo e~ las zonas amorfas de los gránulos, permanecieldo las cristalinas relativamente intactas Estos almidones proporcionan solUCiones de me lor Viscosidad y geles de lT!e:lor firmeza. Se ut:lizan ee coofitena para la elaboraCIón de caramelos de goma por su capa;ldad de formar puta.> concentradas en calien· te: que gelifiean muy b:e:n al enfnar. Los aJmi:!O!::es pugf![ar:·rli:odol son ingre. dientes muy comunes para diversos alimentos; se preparan por deshldralación de una disolución de almidÓn previamente calentada a tem~raturas superiores.a las de gelatlnización. EJle u po de almidón se rehidrata muy rápida· mente y se uuliza en alimentos en los que. se requiera una eellturl n1plda y espesa; es el caso
de los postres InStaotáneos, reUenns de tartas, papillas U1fantiles, etc... Los almIdones uticwladoJ se prepafllo hacitndolos reaccionar con ageot~s tetlculan ta como la epldorhidrina, el rnmet,úosfato sódICO o el oXlc1oruro de fósfo ro duran te 1 hon a una temperatura de 50 oC, Estos agentes provocan la apandón de enlaces covalenl~ upo tlte:r )' tler er.tre las moléculas de amHcsa y amt1opectma, con 10 que el gránulo de al-nldón se hincha pero no llega a estallar; en consecuencia. las solucione:s permanecen VISCOSas durante mis uempo aunque se calienten, se agiten o se pongan en contacto con ácidos SI e1alnudón está muy retlculado puede llegar a inhibirse la gelatinlzaclón incluso en agua hITv¡endo. Se utihtan amphamente para alimentos inlantiles, salsas para ensaladas. rellenos para tartas y postres cremosos, actuando como espesantes y estabilizan tes Los almidones tambIén se modifiCilIl quimlcamerm para los productos que tengan que almacenarse durante un periodo largo de tiempo a bajas temperaturas (sobre todo s.alsas congeladas) En eStos almidones se busca la sustitución de los grupos hidroxilo por grupos acetIlo, hidroxie tllo. hidroxipropilo y foshto con el fín de incorporar grupos muy hidrófilos que retengan fuertemente el agua y evilen su separación baJO forma de cristales aumentando así la esta · bilidad del alimento
562. GltJcOg~f)O
Es el polisacándo de reserva en los telidos anImales, principalmente en los te¡idos muscu · lar y hepático Tras la mue rte del animal, gran parte se degrada a glucosa y postenormente a ácido láct ico. Su estructura es similar a la de la amilopectina (en laces a -l ,4 y 0:·1,6) aunque tiene un grado mayor de ra mificación 'J una masa molecular muy elevada (figura 5.11). El glucógeno varía en forma 'J tamallo se · gún las especies. Aunque existe en todas las té· ¡... l¡s, e~ más 80undame en el OlglOO donde
CHzOH
o OH
o OH
FJG!.AA 5 11. ElI'Nctvra d.l glucógeno
pu~den alcanzar el 2-10% del peso dd órganc. En algunos casos (musculo cardiaco y ~ue l t· t¡co). el glucógeno se encuentra en forma de gránulos de unos 5O.um de dtlimetro asociados, fundamentalmente, a filamentos de ael:na. Ca· da gránulo está constitUIdo por una molécula altamente ramificada de 1S-30,um de dIámetro coa una masa de varios mIllones de daltons
5.6 3 CelvkJJO Es el prinCipal componente estructurAl de las paredes celulares de los vegetaks y gene · ralmente se encuentra. acompañad a por otros políme ros, como la lignina y las hemicelulosas Está formada por moléculas de glucosa umdas por enlAces ~·1,4 Las moltculas de cell.!losa son largas y rfgldas incluso en disoluci6n. Su hid rólisis nnde celobiosa y, finalmente, glu · cosa La extrema hneaiidad de la celulosa (acilita que las moltculas se asocIen de forma paralela dando estructuras cristahnas rigidas. co· mo ocurre en las partes leñosas de las plantas (figura S. 12). Los grupos hid roxilo de las moléculas de glucosa reaccIOnan con el agua dando lugar a tonas cristalinas y no cristalinas o amorfas. Las pr imeras son las responsables de la firmeza de las fibras de celulosa , mien tras que las zonas amorfas se caracterizan por ser más sensibles a los agentes qu{micos y a las enzimiu que las cnstaltnas; además, cuando están en disolución ,
Copitvlo 5: CorbohidrcloJ
95
;1GVa.... 5.12. estructura d.le c.luIoKl.
las zonas amorfas son capaces de cap~ar agua 'f de hincharse mientras que en ausencia de agua, S! van haciendo progresivamente cristalinas s!~ndo las responsables del descenso de plasticidad que se observa en los ve~etales ~. en los alimentos que contienen celulosa y que son sor..etidos a un secado. La hidrólisis de las zonas amorfas da cama resultado la presencia de pequeñas zonas cristalinas resistentes a los ácidas; es el producto conocida coma ct/ufosa microcrisla/ina, amphamente utilizado como agente no melaball zable, h.:brificante r reológicamente activo en alimentos diet~licos bajos en calorías. El deri\-ado más importante de la celulosa es la sal sódica de la carboximf!/ilcf!/ulosa (CMC) qUt se obtitnt al tratar la celulosa con hidróxido sódICO y ácido cloroac!!llco. La CMe se utiliza para aume ntar la viscosidad de los alimentos dando soluciones estables a pH entre 5-10. Debido a sus propiedades reológlcas altamente deseables y a su falta de toxicidad, la eMe se utiliza en una amplia gama de alimentos c.om o ¡igante y espesante, e:n rellenos de tartas, pudines, flanes, helados y pastas para llntar.
5 .64 Hemice/ulosos
Bajo la denominación de hemicelulosas se induye un grupo de polisacáridos solubles en agua que forman parte de las paredes ~ares de las plantas. La mayoría de las hemicelulosas son heteropolisacáridos que contienen 2-4 ti pos de azúcares Los encontrados más frecuen temente son la O-xilosa y la L-arabinosa segui dos de I:!. O·¡a!3ctos3, O-glucosa y kic!o O -gl!! · curÓnlCO
Las hemicelulosas son muy impo rtantes en los productos de panadería en los que mejoran la capacidad de retención de agua de la harina De hecho . se Incorporan a la masa del pan reduciendo la e:ne:rgía necesaria para el amasado, cooperando en la incorporación de: la proteina y at:m~nland o su volumen. No se conoce con exactitud su papel en la dieta. No obstante, y como integran te de la fibra diet~[ica , al no ser dlgendo con faci lidad, puede tener efeclOS fisiológicos beneficiosos sobre la mOlilidad intestinal, peso, volumen y tiempo de tránsito del bolo alimenticio en el intestino.
5.6.5_ Gdodexlrtnos Cuando el almidón se hidro!tza por acción de: una enzima, la glicosil-transferas3, se producen polímeros ciclicos de 6, 7 Y 8 unidades. Debido a la localizaci6n de los grupos hidroxilo, la parte más interna del anillo es hidrofóbica mien,ras que 13 ex~e.:,_a es hidrofi1ica. La naturaleza hidrofóbica de la cavidad facilita que se puedan establecer Interacciones hldrofóbicas con dlierentes moleculas ; así, las vilaminas pueden formar comple jOS con las ciclodc:xtrinas haciendose más resistentes, si bie:n los complejos que se fo rman pueden ser insolubles y poco recomendables en algunos alimentos (figura 5.13) .
5 .6.ó. Sus/oneios
pécllCOS
Las sus:ancias pecllcas compren den un conjU!lto de galacw fonoglicanos c u~os grtJ!>OS carbolCho estan esterificados con metanol en dile-
96
T/rcnoJogía d8101 Alimen/os.
Vi Comp0(¡flnles dt 10, alimentos y procesos tinas, especla!menle su capacldaci geiiflcante, ya que las pectinas se caracterizan por su capacidad de formar geles en presencia de azucar y ácido o en presencia de iones calcio y son utilizadas casi e;
pecnn.s).
o CO¡.le
fiGUltA 5.1 J. E,lructvra de lal cidoded,¡r\(u
rentes p roporcion~s. lo que las hace diferenciarse unas de Otras. Se encuentran en Ijs paredes celu!a.es y en las laminillas medias de 133 paredes de las células vegetales asociadas a la celulosa formando [a protopecrlOa, de naturaleza insoluble. El calentamIento en medio ácido (60-100 ~C, pH 1,5-3) provoca su hidrólisis dando lugar a las pecunas, formadas finalmente por restos de ácido a -D-galacturónico unidos por enlaces (1,4). Cuando se provo.:a la hidrólisis de las pectinas en medio alcalino per acción enúmáliC3, se separan los grup03 metilo dando lugar a los áCIdos peclínicos; si se ehmJnan todos los grupos meulo, e[ producto se hace insoluble y se denomina ácido péctico. La composición y propiedades de las pectinas varia según su origen y los procesos utJ!izados durante su preparaCIón ya que la extrac· ción co n medios ácidos provoca una despoIimerización y una hidróliSIS de los grupos metilo. La longitud de la cadena yel grado de este ruicación soo especIalmente importantes a [a b.ora de determinar las propiedades de 115 pec-
OH
FIGUlA
o
OH
S. 1<1 .
Elt".1Cl"uf<:J d~1
mo.,omero
constltu-
ytn1t de las pecincs HM.
Las soluciones de pectinas HM gelifican en de azucues.y de ácidos mientras que las LM lo hacen sólo en presencia de cationes divalenles, principalmence calcio. Normalmente las pectInas producen geles cuando su concentración es tan sólo del 1% . La firmeza característica de los geles se correlaciona directamente con las moléculas de pectina de alta masa molecular y con una intensa asociación intermolecular. La acción gelificante de las pectinas se utiliza, por ejemplo, para dar firmeza a los tomates enlatados y pepinIllos en vinagre así como en la elaboraCión de mermeladas diw!ticas. También se utilizan en la estabilización de bebidas y en [a elaboracióa de helados. ~:ese:lcja
CopiltJlo S: CorbohjdrO'
S.Ól. GomOJ Bajo la deno:ninación de gomas ~ incluye un amplio grupu de po[isacáridos solubles en agua procedente~ de vegetales terrestres o ma· rinos o de orige 1 microbiano y que po~en [a tapaCldad de allr~entar la viscosidad d~ una so· lución y de rorm:u geles debido a su carácter altamente hidrófilo (cuadro 53). Las gornJ$ son muy ulllizld lS en la tecnología ahmeQlana como gehficante) y espes.antes.
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La estructura de las molt!:culas de polisacári· do que las COQstltuyen influye notablemente en las propiedades de los distintos tipos de gomas; asC, las gomas de estructura lineal (goml de algarrobo o goma ganofin) OCUp3Jl más espacio '! formil:ll 10lucioaes má.5 viscosas que las go-
97
mas ramificadas de igual masa molecular, por lo Que son más indIcadas oara la orcoaración de soluciones viscosas, es d~cit, par·a s~ uso como agentes ligantes y espesanles. Las gomas ramIficadas forman geles con facilidad y son muy estables ya que las ramificaciones dificul. tan las interacciones inlermoleculares Algunas gomas (goma de guar) tienen una estruclura lugi! y tineal con !.!mifica:::iones muy co:tas. por [o que tienea propiedades mixtas de unos y otros El pH y las bajas concentncioaes ce sales sólo afectan ligeramenle a los poLi:5acárid0'5 neutros nuenlras que las altas concentraciones salinas rom~n 105 enlaces con el agua y provocan su precipitación, Algunas gomas tienen molt!:cu[as que contienen muchos grupos carboxilo en. tre las cadenas (por ejemplo, alginatos) En me. diO alcalino , se forman sales que aparecen fuenemente ionizadas, por lo que la repulsión entre las cargu hace que las moléculas adoptee una fonoa enen
lu soluciones. la introducción de ~ru!,os fuenemente loruzados confiere a los pohsacári· dos un aspecto mucilapnoso. Se usan básicamente para aumeatar o man° tener la viscosidad de soluciones, formación de ~eles. estabÜlZación de emulsiones y espumas, mejora de la teKtUra. prevención de la cristali· zación de los azúcares y fijadores de aroma en una amplia gama de ahmeotos, como produc· 105 camicos (salchichas ),'lácteos (quesos, hela· dos, sorbetes), productos de eonfitena. panadeo ría y repostería., bebidas y salsas y productos de preparación Instantánea. Los ejemplos más impona.ates de este gru· po son las gomas de guar, algarrobo, goma ará· biga. de tragacanto, agar, carragenatos, algina· t05, dextrano y xantano, cuyas prinCIpales ca· racteds!icas ~ muestran en el cuadro 5.3 Quizás sean 10$ carragenato$ y los alglOatos las gomas mis ampliamente utilizadas. sobre todo en la elaboración de postres y sopas. No obsta.,te, para ampliar concx:irnientos sobre las características específicas y el empleo de las gomas en la l nduSlria Alimenlaria $e remite al lector a las obras de Fennema (1992 y 1996), Behtz y Grosch (1997) y Robloson (1991)
$.7. Fibra Aunque no existe una definición concreta, se conSIdera como fibra dj~(ltica a un conjunto de polisacáridos hldrosoiub!es distintos del almidón que se ca racterizan por ser reSIstentes a la hidrÓ· lisis por las enzimas digestivas del tracto intesti· nal; esto quiere decir que los enlaces de unión de las dIstintas unidades monoméricas que los constituyen son resistentes a la digestión. Los componentes de la fibra tienen su orlo gen en las paredes celulares de las plantas y 10$ más abundantes son la celulosa y la hgnina . Ba·
io la denominación de fibra se eo!!oban ade· más OtroS polisacáridos tales como hemicelulo· sas, gomas, c.lgioat05, canagenatos, xantaoos, dextranos, pectinas, 1,] (l·D·glucanos y polisa· cáridos sintéticos. Se encuentran también, en cantidades mi! pequeñas. polifeno!es de eleva· da masa molecular, proteínas, cutinas, áCIdo fi· !ico, acetatos, mine:-ales y almidón resisten te . Todos estos componentes Je pueden encontrar en los alimentos de forma natural o adiCIona· dos intencionadamente como aditIVOS Las prinCIpales fuentes de fibra dietética son los ce· reales, los vegetales y las frutas. E! h~cho de que la 5b.a no se hidrolice por las enzimas digestivas no quiere decir que no se degrade y metabotiee en pane. En este sen· tldo, se ha comprobado que entre un 10 y un 80% sufre un proceso de fe rmentación e n el colon dando lugar a compuestos que el orga· nismo absorbe y metaboliza. La fibra dietbica puede dividirse en dos fracciones según sea la solubilidad de sus como ponentes. Una de ellas es la fracción soluble o fibra dietltica solllblt que engloba a gomas, pectinas, mucílagos, polisacáridos de reserva y hemieelulcsas solubles. Esta fracci6n es la que se fermenta en el colon dando lugar a mela no, hidrógeno, COz y ácidos grasos de cadena coro ta que son melabolizado~ . Sus efectos fisiológi· cos se asocaan con la disminuci6n del colesterol e:'L sangi~ y CO:1. e! conc: ol de la glucosa ), en consecuencia, de la diabetes. La otra úacción es la que se conoce como fi· bra ditlillca iruoiub/e y en ella se !Ocluyen la ce· lulo$3, la lignina y algunas fracciones de hemice· lutosa. Esta fracción apenas sufre fermentación en el colon y es la responsable del efecto benefi· cioso de la fibra en !a motilidad intestinal contri· buyendo a la mOVIlización del boto fecal . Los efectos benefiCIOSOS de la fibra dietética se recogen en la obra de Johnson y Soulhga te (1994).
Copilvlo 5; Cort>OS-udrofo,
Sibliografia BELITZ, H. D. Y GROSCH. R. J. ( 1m): QuimicD d~ los allmUItJ;)S 2.' ed. Acnbll. ZUlgou. CHEFTEL.l. C. ~'CHEFTEL, H. (198S¡. Irtlrodu~· ,ión a la Bioqu(mica)' T~cnolog(~ d~ lo! .~Ilmtn· rOl A cribia. Zangon. FE:-''NE:-.tA. O R (!99:): Quimica (ü lo! al!,"M' (01 2: ed. Ar::ibil. Zaragou. FENNEMA. O. R. {1996}: Food ChtmUlr,. 3' e:! Marcel Dd.:ker Ine. Nu~\'a York.
99
JO HNSON. 1. T. Y SOUTHGATE. D A. T. (1994): "Oletary ubre and re laled subsuncu" Food So. f~ty S~rIl'S. Chapman &: Hall Londres MAN, J. M. de (1990): Pfinclpf~1 o{ Food Clt~. misrr/. Vln NO$trand Remhold. f'lueYI York. ROBINS ON. D. S. (1991): BIOq uímica y volof nulri. livo de lo! af¡m~nros. Acribia. Zaragou SHALLENBERG . R. S. y ACREE. T E. (1967): "Molecular cheor)' of s"'eet cute" Na/14ft, 216: 480481
RESUMEN LO I corbohidr:lIOI coratiruysn lo ptincipoi luenle de energio de lo dielO con'ribuyer>do, odemCIl. o que 101 olimenlOI ~:;lll ';01 opelec.ib1et y de OIpe<:IO mÓI ogrodoble. Ellón cO/lStlluidO! por p.olioI.:ohol" de cadena no romifiCO¿::J y. de· pendiendo del numero oe unidodel que 101 constituyon. le dO li~COll en mOIlOJ.Ocofldol (1). oligosocó"dol !2·101 y polilOdriool (> 201
2 Enlre los propiedades Rsi col de los corboh,dro· 101 cabe deslocor lo capacidad de fijor ::Jguo, j,. godo o lo ptuencio de grupos hidrox ilo. y lo crisroli;::oClón, yo Gue lo prelenc'o d~ cnSI::Jlu grondes puede ol,erar lo terl'Jro :le olgunol 01.· mentos. El po::er e.::Juk~,.;::;'I~! d. 1:::1 c:::"¡::::r~s IS uno de los caro~terjsticol mos significot,vos de los carboh,drotol 3
lo copocidod de 101 poiisocóridos de 100mor ge· lu y disoluciones VIICOIOI J.On 10$ propiedodes funciono lu mós des/ocodol, yo que en dicho propiedad rod,co su omplio utilización como ogenles upeJonlel y geli6conles. sobre todo en 10pOI, purel, producoI de reposllerio, poWIS lócteol , ele.
4. Duron!e los Ir%mienlOs /Ji'micos de 101 olimell101. 101 corbohidrolos sufren dos lipes de tron)o Iormociones pordeamienlo no enz,molICO y ca, romelizocion, legún in te""engon o no. rupeclj· vomente, compvesros n,lr09 enOOOI.
5. lo co rom eli zoción lupone lo deshidratocián de lo, ozucares COlI lo Oporlclon de compueslos in. sOlurodos y polimeros de eslructuro complejo que poleen colore.!, pordos o rojizos típicos del co'omelo
6 El pordeomienro no enzim6tico es un conjunlO de complelos reac:cionel que comienzan con lo interoccion del grupo oldehido de azucare! re¿uc:orf! y . 1 grupo omino libre de los proteí. nos. cuyo resulltldo f,nol el lo formex:,6n y ocu",uloc;6n de COmpuf!IOs 16p:dos y oromo:icos y pigmel1'OI de color pardo tllol reo"io l1" Ion. Yeo;~s. desbYorobles I?O' =iemplo. ~n el IIOlomienlo termico d. zumol y lech.) pero, en OllaS ocoliootl, Ion dueoblel pOtO .1 deKltro110 de los prop:iedod~s senloriolel de ciertos 01;. m,n'OI (po' ejemplo, osodos, pon) S". embor· go, "empre provoco un descenlo del yolor nutrillvo del olimenlo.
°
7. El olmidón es, quilos, el pollsocorido mos un;' "erJ.O/menl' util izado como agen te llpelonle y geliliconle, bien directcmente o medíonte modifi· caciones realizados inlelldonodomente con el fin de madificor fovorablemenle IUt ptopieda. des funcionoll!!. lo~ pectinol y gomas 1e uti lilon lomb"en con mucho ff,cuencio en lo Induslrio A!in-.er.l.;lr;.;l.
-6 VITAMINAS, MINERALES Y ENZIMAS
En el presente capitulo JC estudian, en primer lugar, t.1$ vitamin¡¡s y minera les prestando es~dal atención a las p~rdid.u que ocurren durante el proces.ldo de alimentos. Ot:'5pun, se estudiMl las tnl:imu y se ¡¡~U:t;lIn sus .lIplicaciones en Tecnologi,¡ de 10'1 Aliment05, desde fU comportamien. to como agentes alterantes nas til su u~o como conl, ol de ciertos procesos r S(J uliliución par;¡, 1.. producción de alim~rQL
6.1. Vitamina.s y m¡nerale.s Desde Un punto de VISIiI fisiológIco cualquier organí.mo se nutre para asegurar su supervivenCia, es decir, perpeluar la especie. Sin la iOleuI6n de nuuientes. 00 podría Ileur a cabo su deSJ:Tollo fislol6glco completo. Por cUo. uno de ["5 aspect,)$ más imponames en la delerminaclc·n de la ahdad de los alimentos es el que se refIere a su conten Ido en ohgonutrientes. específicamente su riqueu en vitaminas y mineu.1es Actualmente eXISte una buena mformación sobre el contenido de vitaminas y mInerales tanto en ahmentos crudos como procesados. en [os que stem?!e hay un porcentaje de pérdtda de oligonutrienles. No obstanle. hay que apun· tar que los datos disponIbles sobre el contenido de los alimectos frescos no son del todo precIsos. ya q~ue en los alimentos de on~en veleta! pueden exisllr vari.aciones dependiendo de [as zonas geográficas del culti\'o, prikti,;as .agrícolas (fertilizantes, tipo de riego, etc.) y del estado de madurez al re colectarse el productO . Igualmente, tru la recolección. las hpoxigena. sas. desfosfonlasas y glicostdasas pueden hacer variar el contenido de ~·ita:ninas, En los productos de ongen aoimal, las vanaclones son menores, sobre todo en las ~itammas hldrOiOlubles, pero en las !iposolubles , el contenido de las mismas depen:!~ , en ?!.!'1~, d~ I!. die:!. qu~ los antmales COnsu mIeron. AsimIsmo, pueden darse cambios post mortales dependiendo de la manipulación del producto aunque éstos son de poca ImporU,ncia No obstante, a veces se producen modificaciones importantes. como OCurre, por ejemplo, con el jcido ascórblco que se oxida rápidamente perdiendo parclalmenle su actividad vitamínica El procesado afec ta significativamente al contemdo de vitaminas Hasta hace unos años, apenas se estudiaba el decto de 10$ dIstintos procesos en la pérdida o retención de nutrientes. Sin embargo, en l. actualid.d es una prictlea habitual ya que hay procesos que pueden resultar convenientes desde el punto de vIsta
tecnológICO o de conservacIón. pero ¡amblen pueden provocar p!!rdldas de nutrientes mayofes de l.s deseadas. La cantidad de vitaminas destruidas puede llegar a ser, a veces, un factor critico en el balance entre un proceso y la calidad del a.hmcoto resultante , ~' a que un produc· tO alimentICio con una calidad nUlricional acepo table deberá proporcionar aquellos nutrientes que carac:enzan al grupo de alimentos en que está encuadrado El contenido en VItaminas y mmerales de dlferenles ali mentos queda reflejado en el cuadro 6.1.
6.2. Perd ida de vitaminas y minerales en los alimentos procesados Cuando un alimento se somete a un proceso determ.Jnado. se pretende consegUIr un producto seguro y con una vida útil adecuada pero, al tiempo, ha de intenu.rte que las pérdidas de nutnenlCS, que SIempre van a existir, sean mínimas La importancia de este hecho depende del valor nutritivo aportado por el alimento a la dteta y del grupo de personas al que vaya dirigido (oi .... os. aneiaoos, enfermos, et;:.). La incidencia de estas perdidas está d irectamente relacionada con el tipo de nutriente, el tipo de alimento y el tratamtento tecnológICO l?ló:do. La innuencia de los distintos parámetros que ocasIOnan [a perdida de nutrientes es muy dIferente en vi¡ammas y minerales. Así, los minerales que se encuentran presentes en los •.Iimentos, normalmente no se ven afectados por la e..xposlción a la luz. agentes oxidantes. calor y otros factores que pueden ocasionar importantes püdidas de vitaminas. Sin embargo, si pueden ser eliminados de los alimentos por lixiviación o por separación fisica y lambién se pueden transformar en compuestos biológicamente no asimilables Las pérdKlas de vitaminas y mmerales que sufre cualquier ali mento procesado pueden de berse :1 :
Cap/lulo 6: Vifominm, ",inefo/el y enzimOJ
103
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A) La manipulación prellia a los procesos
Las condiclones que preceden a los diferentes tratamientos pueden influir en el contenido final de nutrientes de un alimento. Durante el pelado, corte y otras operaciones, se separan partes de los vegetales que no se utilizan y que muchas veces son más ricas en nutrientes que las porciones comestibles (gene. ralmente, la piel de las frutas presenta ~or contenido vitamínico que las partes más carno· sas). Si la eliminacl6n de la piel se realiza me· diante tratamientos químicos pueden producir· se incluso pérdidas de los nutrientes localiza· dos en las capas carno:sas más externas. Durante las operaciones de molienda, los cereales sufren una pérdida importante de nutrientes que está directamente relacionada con el grado de exuacción. En la separaci6n del germen y las capas más externas siempre
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hay pérdidas de nutrientes, sobre todo de mi· nerales. En las operaciones de lavado, escaldado y cocci6n en agua siempre hay pérdidas, por lixi· viaci6n, de vitaminas hid,oso!ubles y, sobre too do, de minerales (cuadro 6.2). La intensidad de estas perdidas está relacionada con: pH del medio: 1", acidez favorece la solubi lidaddelas sales minerales. Temperatura: iniluye en la solubilidad. Contenido en agua del alimento . Relación superficiefvolumen: mayor pér· dida cuanto mayor sea la superficie de alimento expuesta al agua. En este tipo de operaciones hay que tener en cuenta que puede haber contaminación con metales r tr.¡¡a expos¡.:;ió •. adidOGal al oxfg!;oo. Si la cocción se realiza en aguas duras, por
104
Tecnolog;o de los Alimento.•. (I) Componen/e, de lo, olimenlo$ y p<'oce101
CUAOIO Ó 2. Poitcl,do ó.. "';""01..,. POf ~~ _c;o."", ol..bio, Y .,pó~OCg. cocIdo.
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tos biológicamente no utiiizabies o si la ';UO,oi de absorción disminuye en función de la composición de la diera. Esro es lo que ocurre con alimentos ricos en salvado que presentan un mayor aporre de hiena pero su absorción es menor debido a la presencia de citratos. C) Reacciones degrada.civru
70
ejemplo, puede ocasionar un alimento de calcio en el producto ¡inal. El escaldado es una de las o.'lcraciones que ocasiona mayores perdidas de rainerales. Si se hace con vapor, éstas son menOr!5 que si se ha· ce con agua caliente (mayor pi rdida por lixi· viación). Si el escaldado se. hace con microon· das, son mfmmas. Utilizando buenas prdcr.c(!J de fabricación, la reducción de nutrientes puede ser menor que la que se produce en las técnicas culinarias. En general, las pérdidas son menores al utilizar menos agua de cocción.
Existen reacciones químicas que llenen lugar durante el procesado y almacenamiento de los alimentos, que pueden ocasionar perdidas de nutrieotes, cooc:etiOmente de vlfaminas Duranre la oxid3Cíóñde los [ipidos k origina la formación de hidroperóxidos, peróxidos y epóxidos que pueden oxidar a los carOlenoides, tocoferoles y ácido ascórbico o reaccionar con ellos, lo que lleva consigo una pérdida de actividad vitamínica. En las reacciones de pardeamiento no enzimático que tienen lugar en 10$ alimentos también se pueden formar compuestos carbonilo capaces de reac~lonar con aJi.unajvita.minas, con la consiguiente pe:rdida de las mismas. D) ProasoJ !tcr.oMgico! propiamcn te dichos
B) lnluaccidn _con sUJtanc[as quJmicru wrilil.adru tn los rratamitfltos tecnológicos
A 103 alimentos se les puede adadir sustan· cias ouímicas como coosernd.ores...o como coadyu~antes de: ciertos ~en~os; algunas de estas ~ustancias pueden tener un efecto adverso sobre algon nutriente. Por ejemplo, el dióxIdo de azufre, utilizado habitualmente en las (rutas y hortalizas para prevenir el pardea miento eorimático, puede reducir eI~ido elLliarnina aunque protege al áci"Oó ascórbi:o debido a su carácter reductor, Los .Ei!ritoS..!l~~s como agente conservador de la carne pueden reaccionar con el ácido ascórbico, los carotenoides, la tiamina y el ácido fólico, lo que se traduce en una reducción de la actividad vitamínica. Tambi~n se puede bablar de pérdidas de mi· ner3.1:s si ~stos se combinan para ór compues·
El tratamiento térmico de los alimentos es el principal responsable de la reducción de la actividad de muchas vitaminas. Otras operaciooei, sobe: todo b.s qu: 00 emplean calor, suelen afectar menos a la calidad nutritiva de los alimentos aunque hay aJguna excepción, como la pérdida de c.aJcio en la daborad6n de quesos, que difiere de unos tIpOS a otros; las mayores pérdidas se producen en el desuerado de quesos con pH ácido debido a la migración dd calcio a la fase acuosa. La estabilidad de las vitaminas, a diferencia de los minerales, se puede ver aiectada además por diveoos factores como 50n el pH del medio, presencia de oxigeno, luz, metales y otros agentes. Como regla general, puede decirse que las vitanunas hidrosolubles, con alguna uc.epción
Capillllo 6. VilOminos, minerales yenvmas
(por ejemplo, la riboflavma), son más.!~ bites que las liposoJubls.! y, aaemás. sus pérdidu son superiores por arustre aCllOSO. Sin embargo, [as liposolubles son especialmente ineslables (rente a la oxidación ya la lulo En la mayor parte de los casos, las pérdidas de vitaminas no se deben a un solo factor aislado sino a la combinación de varios, Con frecuencia estos factores tienen un efecto sinérgica, por lo que se considera más d:d.1ctico estudiar la pérdida de ... itaminas por separado 6.2./ VitominoJ hidro501ubfeJ A) Vilamina
e
La vitamina e o ácido asc6rbico se presenta fundamentalmente en fruta, y hortalizas, sobre todo en citncos. kiwis. grosellas y patatas. Su contenido en alimentos de origeo animal es muy bajo.
La forma nalUral que se encuentra en los alimentos es el isómero L·, La fom a D· sólo llene I.lr! 10% de actividad V!tam!mea y es la que habitualmente se ai'lade a los alimentos con fines tecnológICOS, no nutritivos. La estabilidad de esta vitamina se ve afecta· da por diversos factores como oxIgentl, pH, ILU, enzimas y catalizadores metálicos. El ácido ascórbico en presencia dI! oxIgeno se OXIda fácilmente y se transfonna, de modo reversible, en ácido dehldroascórbico que posteriormente, en presencia de agua pua a ácido 2,3·dicetogulónico con la consiguIente pérdida de acuvidad vitAmínica (figura 6.1). Esta transformación varia con las condiciones del medio, Siendo los factores de nayoc 10' fluencia la presión parcial de oxIgeno, el pH, la temperatura y la presencia de iones melálicos, sobre todo Culo y Fe J·, La influencia del pH en la degradaCión o:tidativa del ácido ascórbico es_tan¡bién diferente en condiciones de aerobio1is o anaero~iosa~ iD-
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105
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FIGUIA 6.1 . Pilrd.dcl d. odI";¿od otiIominica del oCldo cucQrb,co. 1): oci¿o oiICOrblco. 2}: ócida dehKlrocncOrb.co. 3}: ócida 2.J.dicetogulóflico.
108
kcnologia de la. Alimenlo •. {IJ ComponenlllJ de la. alimenlaJ y ~oroceWJ
En-I~ch~. la ti.a.;nina ~ ~n.:uellir,¡ ':"ffi.J damina libre (50-55%), fosforilada (t8-45% ) y unida a las proteínas (j·17%). Las pérdidas de esta vitamina son proporcionales a la intensidad del tratamiento, produci.!ndose las ma>'ores durante la evaporación (cuadro 6.3). Las pérdidas ocasionadas en la leche en polvo son variables, dependiendo de la temperatura de almacenamiemo y del acc:so de ox:geno,
it .. s":f;;,, rea.:~ivr.a .:c" la pioirni'::i¡;,,:¡. Svb;e lodo en mediO neutro, rindiendo compuestos Sin actividad vil.~rnínica_ En los prodLctos elaborados a partir de extractos de pescJ.do la pérdida de ¡iamina se atribuyó iniclalnente a la presencia de una enzIma con aCllvidad antitiamina (tiaminasas). Sin embargo, re,ienremen,e se ha demostrado que el factor anllliarruna procedente de la carpa es termoestable, por lo que probablemente no se trate de ur 1 enzima
6 J, P.,d¡do'l"'l
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En las leches fenneotadas hay pérdidas de tiamina debido a que es. utilizada por las bacterias lácticas para su crecimiento. Actualmenté, eSte problema se evita con el uso de cullÍvos mixtos e incluso puede haber sobreproducción de [iamina utilizaado microorganismos produc· tores de esta vitamina. En frutas y hortalizas deshidratadas, en lu que se util iza sulfito para inhibir el pardeamiento enzimático, se puede prodUCIr una degradación parcial de la Ilamina. debido a que el
Se encuentra principal mente en leche y productos lácteos. t"JeVOS, carne y derivados y al gunas hortalizas La nbotlavinl tiene gran importancia como grupo prostético de las tlavoproteínas (las enzimas asociad'as a (sta vitamina) q ue actúan fun damentalmente t!n el metabolismo proteico. Es una vit3rruna bastante estable en las condiciones habituales de procesado y almacenamiento de alimentos, reteOlénd ose hasta un 90%. Se mantiene estable frente a los tratamientos ¡émucos. al oxígeno y en soluciones ácidas. A medida qt.:e aumema '!! pH dismiouye su estabilidad yen medios alcalino:; se destruye rápidamente. Es muy fOIOlábil. transformándose en lurruflavina en soluciones ligeramente alcalinas medIante una reacción fotoquimica (fisura 6.5). La lumillavina presenta un poder oxidante
AiboIIavina FIGUIA 6 •.5. fronsformccion de nbollcvinc en lumillovino en preJenc,o de luz.
Capitulo 6: VitaminOJ, minltral., y IInzimOI
muc.i.:> i"'i1ay.:>r que la :-:ocfb.vi;¡! }' po:- b tJn:o, puede catalizar la destrucción de ouas vitaminas. La desactivación de riboflavi¡¡a ei dIrectamente proporcional a la intensida< lumínica. En soluciones ácidas o neutras la irradiación puede producir lambi~n cantidades vané',les de lumi, flavina junto con airas 5wtancias. La reacción de la riboflavina con la metionina , favorecida por I! presencia de luz, es la responsable delllamado sabor a lut de leches y \inos Las radiaciones ionizantes pu'!den destruir e! 25% de esta vitamina. En carnes cocinadas se han cbservado retenciones superiores a[ 90% , de! mismo orden que [as obtenidas en carnes confeladas. Tam· poco se han detectado disminuciones impor. tantes (5%) de ribonavina en leche pasterizada y esterilizada. La mayor destruCCIón ocurre en leche evaporada (aproximadamente el 10%). las ~rdidas de esta vitamina en conservas vegetales son variables, oscilando entre un 25· 50%, incluyendo las debidas a la hxiviación que son las más importantes.
109
La ausencia de niacina en la dieta provoca la pelagra. Probablemente e~ la \;tamina más estable }" no se ve afectada de forma apreciable por el calor ni la luz en e! rango de pH habitual de 10$ alimentos. Las p~rdidas más importantes se producen por lixiviación, siendo éstas del mis · mo ordoen que las de otras vitaminas hidrosolubles En la carne y productos cárnicos es estable durante el cocinado y en las operaciones de los disuntos procesos; las pérdidas son algo mayores durante [a cocción a fuego lento que duran· te la fritura y el asado. En leche pasterizada y esterilizada práctica. mente no se producen pérdidas, En e! yogur, el contenido de niacina es superior al contemdo en la leche onginal, estando en función de 10$ microorganismos empleados. Las pérdidas en productos vegetales duran· te la cocción a vapor son muy pequei'ias, del oro den de! 10%. Son mayo res en las conservas, donde pueden llegar hasta un 7(). 75%. debido principalmente a la lrxiviación, pasando al lf· quido de cobertura
D) Ácido flicoríflico
Se encuentra en cereales, hortalizas y en ali· mentos de origen aoimal como carne, leche , huevos y pescado. El ácido aicotinico (figura 6_6, y su amida reciben con frecuencia el nombre de niaclOa. la nicotinamida en fonna de mcotinamida· ademna dinuc!eótido (!"AO ") o NAO· fosfato es la coenzima de las desbidrogen2sas.
FlGURA 6.6. EslruClUro del ácido nicorínico.
E) \liramina Bs o plridoxina
Se encuentra en alimentos de origen animal y vegetal en forma.de fosfato, principalmente
en carne, pescado y algunos cereales. Hay tres sustancias que preselltan aenvidad vitamínica (figu ra 6.7): piridoxal, piridoxtna o piridoxol y piridoxanUoa. Estos compuestos están muy re lacionados entre sí, de tal fonna que la contribuclóo de las distintas sustancias a la actividad vÜan"Única IOta! de un alimento es diferente aotes y después de baber SIdo sometido a diferentes lTatanuC:Dtos. La transformación de W10S compue.stOll en otros se produce fá cilmente mediante reacciones enzimáticas y 00 enzi'!láticas. El plridoxal es la fonna más estable y es la que se usa Ilabilualmenle para enriquecer los aJilllelllOS eoo esta vitamina Estas Ires fonnas, por radiación
1 12
Tecnología de los A1imentoJ
mCOtr pone,,/es de ~ alimen/Os y proceSOI
medio entre S y 8. por lo que apenas se han detectado pérdidas en los alimentos procesados y cocinados S610 se han observado pérdirla.s en productos vegetales enlatados. del orden de un 40·45% debida~ principalmente a la lixiviaci6n. El ácido nitroso puede destruir la actividad biológica de la biotina debido a que se forma un derivado de nitroso urea La !vidini pre· sente en la dara de huevo crudo, se pued~ unir a la biOllna con !! consiguierrt~ inactLvac~6n c!e la vitamina. La deficiencia de biotina en el homhre es muy rara ya que [05 microorganismos pre.entes en el tracto intestinal la sinteuzan de lorma abundante.
6.2.2. VitominoJ IipoJolvbJeJ A)
~/iramjnCl
A
La vitamina .-'\ o retinol (figura 610) ~e en· cuentra presente en alimentos de origen a:umal como son hfgado de peces y de mamiferús, leche y huevos. Los caratenoides con actlVidad vltaminica A abundan en alimentos de ongen vegetal como zanaborias, espinacas, tomates, naranjas, etc. Los carotenoides ammales son sie:npr.! de erigen veg~tal. Se co .. ocen más Ce 80 sustancias con actividad vilill1\ínic3. A, Jierrdo la más representa,jva e[ ~-taroteno. Los carotenOldes presentan la estructura de los h.!droc:!rburos, pcr lo qU! soo SUSlaoctJS [j. posolubles·que acampanan de forma natural a otras sustancias lipídica5. El ~-taroteno se encue •• ¡;a unido a p¡,ote[nas tanto e:l tejidos naturales como en alimentos.
CHzOH
F-.GuRA 6.10. ElIJ'UCIUro del rennollvilCm,na AI_
El efecto del calor en la Vitamina A y los ca· rotenoides es diferente en presencia o ausencia de oxígeno. Si no hay o'\:igeno pueden aparecer isomerizaciones, transformaciones y fragm en· taciones que pueden dar lugar a una pérdida de hasta un 50% de actividad vitamínica, dependiendo de la nalUra!eza del carotenoide y de la intensidad de! proceso 5:n presencia de oxígeno se producen pérdidas má5 important~s. pudiendo !legar a ser lotal si estas reacclO· nes de oxidación se ven potenciadas por de ter· minadas enzimas (lipoxigenasas) o en presen· cia de luz e iones metállcos_ La actividad vitamínica en carne y leche se debe al reClnol y ~·caroteno, mientras que en cereales, f:utas y hortalizas deriva del p-caroteno, airas carQtenos y xantofilas. En leche pasterizada y esterilizada no se observa un marcado descenso en el contenido en re tinoides si 110 hay acceso de luz y o:
CopiNlo
En lo:. a¡¡:n~otos d~sb.idrl.udos se pl.!edel' pre.sental ~rdidas de vitamina A durante el almacenarri~nto debido a la pcsibilicad d~ oxidación. La ... elocldad de deucti ...aciÓn de esta ... ¡tamina igual que la oxidación ¡Ipidlca, depender', además de la presencia de oxígeno, de las en,:imas, aClividad de agua, temperat'Jra y atmósfera de alma~narruen¡o .
8) Vitomm¡;¡ O Presentan actividad vitanúrúca O un grupo de sus:ancias \¡posolubl~s denv:!das de los estero\e5, las más Importantes son la VItamina OJ (coleeatciferal) y VItamina Dl (ergocalciferoi), que dIfieren en las eadenas ¡aterale.s (figura 6.11).
CoI«:IIlc"eral
,1
FIGUtA 6_ 11. EstnIC;luro del eolecck¡f.,oI y ergoeokif..rol
6: Vi/ominaJ, minerajes yenzimo)
113
Las princi!,ales fuentes de esta vlUmina son los aceites de hígado de pescado, encontrando· se t:!:t'Ibi~n ¡¡resent: en m:u~!eqL:ill:!., yema de huevo y leche. No se encuentra en productos vegetales. La vitamina O se forma a partir de sus precursores por radIación ultravioleta. Puede haber c.~a p!rdid3. IOI,)! de Icti\;dad vitamínica por Ulta IrradiaciÓn muy intensa, pero esto prác:.icamen:e no tiene lug:u en cond:ciones normales de procesado y almacenamiento de alimentos, excepto en el caso de eslenlizacl6n COI'. r3diac-.ones icnizantel En condiciones de almacenamienlO made· cuadas, es decir, a temperaturas y humedades relativas doevadai (climas tropicaloes) puede haber pérdidas de esta vitamina. Por ejemplo, la vitamina OJo que es menos estable que la vit3mma 0 1, se puede perder en un 90% durante un almacenamiento de 2~ días a 25 oC y una humedad relall\la del8S'%. . Elta \':taou13 es sensibl~ a! oxigeno y su de· gradación es proporcional a la presión pan::ial del gas; su estabilidad en ¡limemos almacena· dos en condiciones anaeróbicas no presenta nmgún problema. No se han descnlo perdIdas durante la pastenzaeiÓn y esterilizaCión de: la leche, ..i dUf3nte la deshldralaclón y euporacióo En t.:rminos generales, la eSlabilidad de es· ta vitamina en los alimentos DO parec~ representar oingún problema teniendo ee. cuenla, además, que las necesidades de! adulto estin a.seg:;::!~;!t
La actiVIdad vitamínica K la presentan las naftoqumonas y sus derivados. Estos compuestOS '>oC enc.uer,\ntl pre:.entes en las hojas \lerd!!s de las hortaliz.as y en el hígado de los animales: además, soo sintetIzadas por las bacterias intestinales por lo que las deficiencias en esta v¡ta· mlOa son muy raras. Las nafloqulOonas y sus deriyados, tanlO los obtenIdos de torma Dalural como los Slllu:ncos,
se consideran bastante estables en las condlcio.. nts habitualts d: procesado yalmaccn&miento de los alimentos debido a que la rcact ivid ad del grupo quinaDa es relativamente baja En los alimentos. la Vltamina K se encuen· tra hgada a las proteínas, al menos parcialmen. te, lo qut mflu)'e en su enab¡¡¡dad Es esuble al calor y a la presencia de oxígeno pero puede haber li~eras ~rdidas en presencia de luz En los productos vegetales tratados tl!rml' camente no se han detectado pérdidas en el contenido en vitamina K.
D) Vi/.cJmmQ E
Esta vitamina hpo$oluble se encuentra ampliamente distribUida en la naturaleza en alimentos de origen animal y vegetal, siendo especialmente abundante en los aecHes vegeta· les P:esen tan a cti~'id ad \lta:nlnica el c:·tocore· rol (figura 612) y otros isOrneros natuules. To· dos los compuestos que poseen acuV1dad vlta· mínica E tienen un Ampo hidroxilo en el aniUo benúnico que puede cstar esteriticado, encon o tr:indose , de forma natural, tanto los libres co· mo los esterificados. El acetato de Q·tocoferol se usa como admvo alimentario porque e5 más resistente a la OXidación que el toco(erol hbre Los tocoferoles son lermoeSlable$ pero se oxidan muy fáCilmente sobre todo en presencia de iÓn Urrico fo:mándose r¡¡dicales libres La actividad anlloxidante, que se ha usado en la Industria Alimentaria desde hace más de 50 ai\O$, es Inversamente proporciOnal a l. Vida media de los radicales libres y depe nde del me·
dio . Durante el almacena..m.iento de alimentos vegetales, los tocoferoles presentan UD débil carácter antioxidante , siendo mucho más acti· vos frente a grasas animales, espeCIalmente en presenCIa de sustancias stnl!rgicas. El efecto de los tratarruentos tct:noló!lcos en la perdid:l de vitamina E es importante en todos los procesos que Implican una sepa~a · clón de la iracclón hprdica o una hldrogena · ción Los tocoferoles presentes en aCeHe$ de semillas se pierden parcialmente (30·45% de pc!rchda) cuando los aceites crudos se someten a un refinad o para eliminar los olores no doe· seables. Estu pl!rdldas son parucularmentc Impon!ntes en l. fase de neutrahzación con ;llcalis (los tlKo(ero!es se oxidan más dpida· menle en mediO alcalino). en el blanqueado '1 en 105 vapores de desti lación que se producen . En la hldrog~nación de aceites vegetales tamo bil!n se producen ~rdldas de tocoferol que oscilan entre 30)" 50% Durante el procesado y almacenamiento de came y productos c"micos, leche y derivados y cereales hay pocos cambiOS en el contenIdo en tocoCero!. Por ejemplo, en leche pasterizada se han detectadO ptrdidas de un 5% aproximadamente. El uso de algunas sustancIas químIcas como el peróxido de hid rógeno puede dar lugar a OXidaciones y. por lo ta nto, a una perdida de acti\;dad VItamínica Ó2
3. Minl!roll!J
La presenCIa de minerales en los alimentos es muy vanable ya que depende de muchos taco
CH,
FIGUO. 6 12 EII'vctura del a.nxol".:¡l
oilllh 6: Yin,m,noJ, mm.ras.. yenzlmOJ
tores. siendo los mis importantes la composición del suelo en el caso de las plantas y la dieta en el caso de los alimentos de origen animal La pérdida de minerales en los altmentos sometidos a diferentes procesos es muy pequeda. en comparación COil la que sufrer las Vitaminas. Las mayores reducciones se deben al arrastre de lO! mmerales solubles en agua, por IU:lV1ación. y a las separaciones fíSicas que nene il lugar durante la molienda y otras operacione~ como pelado. etc También es necesario tener en cuenta que hay sustancias minerales que pueden interaCCIOnar con OHOS componentes de los alimentos dando lugar a compuestos no ashml.bles por el organismo. En este caso. aunque no hay una pérdld3 real, en la prá:tlca hay una reducción de la biodlsponibihdad de los minerales
6 2 4 Pérd,do de vifomlnos ol,lron'e el olmocenamienlo Como se ha dicho anteriormente, Siempre hay pbdldas de ... ltaminas tanlo en el procesado como durante el almacenamiento de a.llmentes. Los cálculos para conocu exactamente la pérdida de \'itanunas durante el almacenamiento de los .hmentos son muy complicados, ya que har que saber cuáles son las reacciones químiCas más probables, cómo ....1n a eyoluclonar a medida que se a~:oIan los d,suntos como ponentes, cui! es la Influencia en la ...elocldad de las reacciones quimicas de di\ersos factores como son el pH, temperatur!., potencial redox, actividad de agua. etc_ En ténmnos generales, para poder eSlimar las posibles pérdidas de yitamlnas en un ahmento almacenado es imprescindible conocer como mínImo. a) La composición micial del nutriente b) Las condiciones de tiempo y temperatu-
ra en las que el alimento se almacena y la de los canales de distribución, pueSto que las reaccIones químicas son temperatura depend¡e,,¡e5 Act:rnás, ¡::;.¡:':!c
1 15
haber modificaciones en la velocidad de reaccIón por pérdida de actividad enrimilica, por agotamientO de uno o mis reacti ...os, por variaciones en el desarrollo de la reacción e Incluso por in(luencla de creCimiento microbiano. e) Caraclerfstlcas del en ... ase: permeabilidad al oxigeno. al vapor de agua y a la luz. La composición de la fase gaseosa presente en el Lntenor del envase tamo blén es Lmportante, princLpalmente en relación con la presenCia de oxígeno. El paso de \'apor de agua o el cambió de la humedad relatl"'a también puede inflUir ya que la actl"'Idad de agua es un factor decisi ...o en las reaccIones químicas. d) La mnuencla de faclores ambientales luz, bumedad relauya, elC. Su importancia está relacionada con las caracterís· ticas del envase
6_3. Adición de nutrientes o los alimentos La Tecnologia de los Ahmentos tiene como misión ofrecer productos seguros, con una ... ,da util determinada y con un ...alor nutritl"'o ade· cuado. En todo ello, las "'Ltaminas y mmerales Jue~an un papel importante, En ocasiones. conviene al'iadir cienos nuuientes para dOlar al alimento de una mejor calidad nutneiya o reponer las pérdidas habldu durante el procesado. La adición de nutnentes se engloba baJO dLYersos térmmosa) Reposici6n o restltuci6n _ adición de nu-
triemes a aquellos alimentos que durante su procesado tecnológico han podido perderlos. Es deCir. se trata de reponer el contenido origmal de nutrientes. b) Fortificaci6n: adición de nutrientes en cantidades considerables, suficientes para que resulle un producto que' tenga un comenido superior al original. Se pueden añadir nutrientes a alimentos que originalr:1.en:~ ca~e:!.1r: t!: cHos
e; Enriquecimie:\:c: ad¡~¡~,. ¿~ c.;:::¡=J.:!~s especificas de determinados nutrientes, seleccionadas segun las normas definida> por reglamentaciones de organismos oficiales. d) :-.'utrificaci6n: es un término genérico que mcluye cualquier adición de numen· tes a un alimento. A veces, también se añad~n vitam!nas a los alimentos desde un punto de vista tecnológiCO; es el caso de las vitaminas e y E, que tien~n ac· clón antiox¡dan:~ debido a sus propiedades de fijar oxigeno y eVitar que pueda ~j~rcer efectos adversos en el alimento, o los carotenoides que se emplean como colorantes. Todas las vitaminas que se añaden a los alimentos son vitammas sintetlcas. La adición de nutrientes a un alimento es claramente benefiCIOsa, como ha quedado de· mostrado con la erradicación casi total de enfermedades carenciales en paises desarrollados. Sm embargo, también podría conllevar un nesgo potencial para los consumidores por lo que algunos organismos, como i:I FDA, ha emitido unas normas generales sobre el (IPO de alimento, tipo de nutrientes y cantidades añadidas que deben ser suplementadas. La estabilidad de las vitammas en los ali· mentas restituidos o fortificados es un faCtor muy imponante a tene r en cuenta Se han hecho estudios para controlar el porcentaje de perdIdas de numentes en los cereales oe desayuno, ob¡emendose resultados excelentes. Esta retención se debe , Sin duda. a la estabilidad de las formas químicas de [as vitammas usadas y a los alimentos empleados para su nutrificacióD.
6 .4 , EnximQs Las enzimas son proteínas globulares solu bIes sintetizadas por los organismos VIVOS con la
finalidad específica de calalizar las reacciones bioquímicas que de otra forma no ocurrirían bajo las condiCiones fisiológicas habituales.
L:lS ',~:;:l;:;S~! :.::i!iz~~ ~~ :::::.!s ~n b !b!::o raci6n de alimentos derivan de su capacidad para catalizar reacciones deunninadas, debido a su gran especificidad, sin o:igmar reacciones secundarias. Además, son acivas en condiciones moderadas de pH, temp::ratura y a bajas concentraciones por lo que so: puede controlar fácilm~nte la ~elocldad de reacción mediante el ajuste de estos parámet~os. La mayoría de los preparados enzimáticos comerciales se elaboran a patlir de microorga· nlsmos, debido principalment<: a que:
uro microorganismo productor de caca enzima. al menos teÓ· ricamente. Los microorgamsmos S! pueden modificar por mUlaciones o cJmbios geneticos de forma que proporcionen una mayor prodUCCión de una determinada enzima. La recuperación de enz.mas es muy fácil ya que la mayoría de las producidas por microorgamsmos son extracelulares. Utilizan materias pnma, baratas. Los microorganismos tienen un alto indice de creCimiento y de producción de en· zimas
a) Es p05!bk er.;ontrar
b)
c)
d) t)
No obstante, además de las enzimas micro· blanas tambl<~n existen preparacIOnes comer· clales de ongen animal y vegeul.
64 l. Enzimos endógenos I!nlos alimen!os Las enzimas están presemes de forma natural en los alimenlos, pues provieD~n de los tejidos de plantas y animales o de microorganismos. Muchas de ellas son responsables de numerosas modi~caciones que tienen lugar en los alimentos. Estos cambios pueden ser benefiCIOSOS o peTJudiciales. Así, por eiemple, a veces ciertas enzimas son responsables de la alteración de productos vegetales tras su recolección, participan en la alteración de tejidos animales y en las modificaciones de color, olor, textura y valor nu -
Capitulo 6: VitaminaJ, minera/e, yenzimOJ
::-:::VQ J:!~ '-'-,~~~.c!. .!E::I::::os, :~ !~ q:.!~ ~:'! :!~:;:,;. nos casos resulta positivo y, en Olros, conlleva una pbdid.l ¿e la cllidad ~nsoria l y nUlritl.a Además, colaboran también en los cambLos que uenen lugar durante la transformación de una matena prima en un producto nuevo, como es el caso de quesos, embutIdos y otros Es lan numero;;a la pres.encla de enzimas en los alimentos que aqui sólo se "'In a citar las hi· dro1asas y o,~ldorredu~tasas, que se conslderln las más imponaoles
1. Amdc.JaS. aw.ian hldrolizando el almi· dón. Son importantes en la maduración de la i~Ul
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I 17
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los lrighcéridos, Se encuentran de fonna abun. dlnt~ .en alimentos ¿e origen animal y vegelal. Las más importantes son las lipasas, que libe · ran ácidos grasos libres a partir de los triglictri· dos, propiciando la aparición de sabores yola· res característicos, unas veces deseables y a ira.! no; así, a parur de grasa I:ktea, mediante la ae· t:.lación de las lipasas de la leche, se pueden formar á(:\dos grasos de ca¿ena corta, responsables de su ennnc,lilmiento hidrnlftjco. SIO embargo, un cierlo grado de hidrólisis puede ser b-endlcioso en algunos tipos de queso,
B) Oxidorr~duc"lS;U
1 Ftnolasas ' actúan olidando los compuesfenóltcos dando lugar a compuestos pig. r:lenlados, son las responsables del pardea. miento enzimático de muchas frutas y hortali· zas. A ~eces, la aparición de color es deseable, como QCUHe con las uvas pasas y las hOjas de fermentadas 2 Lipo,dgtnasru calahzan la oxidación de los ácidos grasos insatuudos, medLante un me· camsmo que no está totalmente aclarado. Su efeclO en 105 alimentos puede ser perjudicial pues actuan como un prooxidante iniCIando el enranciamienlO o:tidatjvo de los ¡¡pidas Parece que son lilS pnnclpales ,esponsables de los sa, bores y olores e.'((raños en las legumbres almacenadas. J, Perox!dasa. se encuenlra en los produc· tos \'egetales donde puede modificar el sabor, color, olor y valor nutntivo de éstos, por degra· dación o~ld:mva de dIferentes compueStos. Se utiliza como Indicador del escaldado, ya que es b.u.Lanu resistente a la mactivaClón por calor. Se asume que la deslrucción de la peroxidasa implica la destrucción de [as otras enzimas de interts. La laclopero~idasa se uliliza como índice para saber si un tra¡amtento pastenuote ha sido uces\vo, Por aIra parle, tambltn interviene en la OXIdación de los Iio.idos. ÉsL3...~s canaz de.... 105
le
generar compueslos oxidantes muy potentes, capaces de destruir microor~anismos ; es ceó, presenta una funci ón anlimicrobiana (sistema laCloperoxidasa tiocianalo), 4. Cala/tUc: Su función es la descomposición de! peró:udo de hidrógeno derivado de! metabolismo :elullI
6 .4 2 l'tiliocc de las enZImas en Tecnologio de los Alimentos La utilidad de las enumas en las mdusmas ahmentanas se basa en tres aspectos:
A) Análisis de alimentos debido a la gran especificidad que presentan las enúmas, se pueden emplear para analizar componentes especificos de los alimentos si:'\ necesidad de procedimientos de purificación muy complejos, pudténdose delectar cantidades del orden de 10 ng. El susuato a analIzar debe ser el bctor limitante , por lo que debe haber cantidad sufi· ciente de ac¡¡vadores, cofactores, etc., pala sao turar la enzima. La principal ventaja que aporla el uso de enzimas en los análisis de alimentos es la gran sensibilidad y rapidez. (minutos), mientras que los principales inconvenientes radican en el elevado coste y en que hay que conocer )' conI ~olar perfectamente la especificidad de la enzima. B) Indicadores de Iratamienlos tecnológicos: La presenci a o !I.!se:icia de enzimas en los
alimentos y [as alteraciones que se hayan producido en su distribución normal en los sistemas celu[ares pueden utilizarse como indicadores analíticos de la calidad y la historia de un alimento determinado. Así, la inactlvación de la f~fatasa alcalina en la leche se utiliza como indicador de una correcta pasterización. La modificación de localización tisular o celular de una enzima puede: indicar SI un alimento determinado ha sido congelado y descongelado, ya que en estos procesos se rompen las membra·
nas bIOlógicas. El aumentO o dismmución de CI!;tas actividades c:nzim.íncas, como las d¡pep. tldasas de origen microbiano, si puede utilizar para determinar la vida útil de la carne re(nge. rada
C; Procesado de alimentos: con la utiliza· ción de enzimas eo las industnas alimentarias se persigue mejorar el proceso de prodUCCión de alimentos, redUCiendo e! COSte y obteniendo mejores produclos finales. Las prinCipales aplicaciones son mejorar el sabor, color, I(xtura , aroma digestibilidad)' viscosidad; alargar la vida útil del produclo envasado y/o eliminar algunas caracteríslicas no deseadas que se en· cuentren presentes imcialmente. Las enZimas, pues. desempeñan un papel muy importante en la elaboración de altmentoS, lanlO en los productos uadicionales como en los nuevos. Las t.ansformaclo nes que llenen lugar de forma natural por enzimas endógenas , pueden ser onenladas o potenciadas mediante el uso de enzimas añadidas intencionadamente a los alimentos, es deCir, mediante enZimas exógenas.
ó.¿ 3 ApliCaCIón de enzimcJ e.rcógenos
en lo elaboraCIón de alimentos La posibilidad de conseguir enzimas a gran escala y a precios razonables dio lugar a que la Industria Ahmenuria considerara la pOSibilidad de usar enzimas exógenas en la producción de alimentos. Sin embargo, e! uso de eSlas enZImas es relativamente limitado debido a la escasa comerciahzación de las mismas, la p05lbihdad de emplear métodos alternativos, la dificultad en la accesibi lidad de la enzima a[ sustrato, los tipoS de reaa:ión, las condiciones específicas de las reacciones y las impltcacione.s legales. Las enzimas que tienen mayor aplicaciÓn en [a elaboración de ahmento$ ser.'
..lulo 6: VirominoJ. m,nerol,s y ,nzimos A) Hidrolcucu
Es el grupo de elU.imas que más se utihu en Tecnologfa de los Alimentos. Dentro de este grupo se encuentran: 1. Prott.ajaj Se pueden obtener a partlr del estómago de aOLmales. de plantas e de microorganismos. ACluan hidrolizando prO!eínas y polipéptidos para rendir pl!ptidos de masa molecular más baja. Su principal aplicación es mejorar el sabor. la textura y el aspeCtO de dIferentes productos. Algunos ejemplos de sus posibles usos son: a) Eliminación de la turbidez de la cuveza
Las proteinas que contiene la cerveza ya envasada Ilenden a formar complejos Insolubles con los polifenoles y tanInos cuando se enfria el produClo antes de su consumo. Estos complejos pueden dar lugar a una turbidez no deseada. Para degradar estas proteínas residuales se emplea papaína. con lo que se eylta la formación de sedimentos b) En tecnología lechera se emplean proteasas en la elaboración del queso. La quimosina puede ser reemplazada por proteasas ObteOldas a partir de Mucor mienel. Este tIpO de enzimas. de diVersos orígenes. tambIén se está empleando para acortar el período madura ti yo de los quesos duros y semiduros. ya que se consigue que la proteolisis que tiene lugar durante la maduraciÓn se lleve a cabo en un tiempo más reducido. e) En productos de pastelería se utilizan proteasas para hldrolizar las proteínas del gluten y controlar así la viscosidad durante la manipulación y modificar la textura y aparienCIa finales. d) En la industria cárnica se emplean paparna y brome]a{na para acelerar el proceso de maduraciÓn de la carne y mejorar su bl:lndura
119
2. LipcuQJi. Se ootienen tambl~n a panir del traClO dlgesuvo de a¡úmales }. sobre lodo, de microorganismos. ~idroliz.an los trighcéridos pan dar mono- y dighcéridos, áCIdos grasos libres y glicerol. es decir, libera n compuestos responsables o precurSores. del sabor por lo que se utihl.an pnncipalmeflte para polenclar el sabor de dif~rentes alimentos. Cabe ClIar. por ejemplo a) En la industria quesera se utihzan para
realzar el sabor de los quesos_ b) Aumentar el s!bor de la leche en el cho-
colate al hldrolizar los lipldos e) En los prod~ctos de panaderfa se emplean para ampliar la vida ütil del pan en relaciÓn con su textura La adIción de Jipasas aumenta la proporcIón de monogILcéndos qU!, al unirse con el almidón, retard;k1 la relrogradaeion y hacen que la miga conserve ~u bl.andura. J. a -ami/aJas. Se obtienen a partir de microorganismos. fundamentalmente Bacillus JUblills y Asptrgiflus orYloe. Hidrollzan el almidón y el glucógeno para liberar oligosacándos Sus principales aplicaciones son a) En los productos de panadería se utili-
Zan para aumentar la hidróhSI$ del almidÓn rindiendo mayor cantidad de azucares metaDoiizaoie$ por las levaduras y conseguir asi la producciÓn del COl necesario para el esponjamiento de la masa b) En la industria cervecera. la (l-amilasa se añade con la cebada para favorecer la hidrÓlisis del almidÓn y proporcionar. igualmente. azucares fermentables por las levaduras. e) En la elaboraciÓn de Jarabes a base de almidón. favoreciendo la licuaciÓn /Oicia] . 4 /J.galoclosidoso Se obuene fundamentalmente a partir de mohos (Asptrgil/w nI~tr).
eSta enzima h,ciroiu.,a la iac:os.. , 'lUI! ~j ¡;,:; az;lcar muy poco soluble rindiendo galactosa y glucosa. En la Industria Alimentana SI! usa. a) En la producción de ,elados y derivados
lácteos para evitar lo:; problemas de te,\:tura que pudieran d:r!varse de la baja solubilidad de la laclUsa. Al aumentar el contenido en ~lu::osa umbier. aumenta el sabor dulce de esto! productos b) En la preparación d!: leche y denvados lácteos desunados a ~'~rsonas deficientes en ~-galactosidasa (la:tasa). Otras hidrolasas utiHzac 15 en la elaboración de alimentos catallZan la hldrólim de enlaces especiflcos de carbohidrato!, nndlendo diferentes productos coo distin J utilidad en la Industria A!ir.tentam Entre ,:116 eHin. ~-arrula· sa, glucoamllasa, Lsoamilasl, ¡nvenasa y a·Dgalaccosidasa
B) Oxidorreducra$as
Dentro de este grupo, las enzimas que más se utilizan son: 1, GluCOJQ o.cidaJa. Produclda por mohos,
pnncipalmente Aspergil!UJ r:igu Esta I!nzima catalaa la oxidacióa de la y-lcosa con consumo de oxígeno, segun la slg\!lente reacción: B·O-glucosa + 0, -. &-D-gJuconolactona
<1-
. H,O,
Se usa, por lo tanto, para eliminar la glucosa en aquellos productos suv.eptibles de sufrir modificáciones en el aroma y color como consecuencia de la reaccióo entre grupO$ lllUOO y glucosa (reacción de MaiUard). Se aplica fundamentalmente en alimentos a base: de patatas y huevos en polvo. También se usa en productos envasados para mejorar la estabilidad durante el almacenamiento, debido a que al coa.,umir el oxigeno se
e\ ::.! !~ c.t.:=~:i~r. !:;r~~~:! compuestos aromúicos.
~.
la :1egrac!ación de
2. Cata/asa Se obtiene fundamentalmente a partir de microorgamsmos. Cata liza la si· guiente reacción' 1H:O¡-+2Hp-O¡ Se utiliza combU1ada con la glucosa oXldaS3 para eliminar el HIO I producido por esta ultima. La combInaCión de estas entlmas pcmllte alargar la vida util de zumos de ciencos, cerveza '1 vmo ya q:Je s~ inhiben las reacciones oxi· datIVas sin problcr.lai secundanos En países en vfas de desarrollo, donde los sIstemas de frio no están bien implantados, se puede utilizar H10! para conservar la leche cruda, el H¡O¡ reSIdual se elimLna medianle la adición de catalasa Igualmente. en ESlados Unidos está permllldo el uso de HI 0 1 parl la conservación de leche deslÍnada a la elabora· ción de quesos, ya que asi se prOtege a la ca~¡· na, que es sensIble a los tratamientos ¡énmcos cuando ha aumentado su acidet. En España y ot ros países de la Unión Europea no está permitida la adición de H1 01 a la leche.
3. LlpooxigtfllUa. Se obtiene a ¡>artlr de harina de soJa. Cataliza la oXigenación de CiertOS ácidos grasos Lnsaturados nndlendo hidroperó· xidos Se utLliza en la industria del pan para blan· quear la hanoa. ya que los hidroperóxidos formados pueden oxidar a los carOlenOldes y las clorofila! !ormindose productos iocoloros.
C) lsomua$fll
La más iOlere.sante es la glucosa-isomera.sa. que se obtiene a partir de bacterias y mohos. Esta enzima transforma b. glucosa en fruttosa, coo mayor poder edulcorante, por lo que se utiliza para poleaciar el silbor dulce. Se usa eo la preparacHSn de Jarabes de almidón de gran cOOlenido en fruclosa_
Capi/ulo 6: VitcmitICJ, mi,..ra/eJ y .n. ¡mel
6 4 4 EnZimas tnmavlllzoOas
Cuando se a~aden enzImas solubles a un alimento para su preparación, no pueden ser reutilizadas ya que en el momento que el proceso alimentario llega a t¿mllno las enzimas son inactiyadas, nonnalment! por calor A partir de los atlos setenta, se empetatan a une enzImas inmovilizadas, e5 Jecir, enzimas lijas a un soporte de manera que se pudieran recuperar para una nueva utilización con la consiguiente ventaja económica Otra ventaja es que el proceso se puede realizar en continuo y se puede controlar con facilidad la velocidad de la reacción. La inmovilización de enzimas puede considerarse como un proceso de insolubilización ya que impide la libre difusiÓn del catahzador en la mezcla de reacción, que puede ser separado y recuperado del mecio por SImple decantación. Las enzimas están física o químIcamente limitadas en su movimiento de tal fonna que es posible recuperarlas del medio de reacción mediante ac:iones físicas. El empleo de enzImas inmovihu.das presenta una sene de ventajas:
L ..... dsvrciJn. lA e::z....a es:á ~.. terjt!a en la superncie del soporte insoluble que se encuentra en un medio acuoso medIante t.lerzas fisicas de Van der Waals, interacciones t,ideofóbicas. puentes de hidrógeno e imeracciono:! específicas (ligura 6.13). Los soportes de inmovilización. es decir, los adsorbentes, pueden ser r3turales (or. gánicos e inorgániCOS) o polímerc',i SLntétlcos. H3bitl!3Im~r.!e $! USlI! cerbón activado, tierra de diatomeas y vidrio poroso. Para inmoviliur la enzima sólo es necesario poner en contacto tisico durante un tiempo de , temunado una disolución acuosa d~ ésta coa el adsorbente . La unión que se logra es débil y su estabilidad está basada más eo la cantidad de fuerziU implicadas que en la calida:! de las mis· mas. Por esto. a veces, la enzima puede liberar. se del adsorbente con cierta facilidad por cambias de temperatura, pH, tuerza ¡Ilmca o concentración de sustrato Las princip.lles \'enlajas de la inmov!lización por adso1'clón son la senci. llez del método y que no se ve afectada la con. formación de la efWml y, por lo tanto, su actividad.
a) Permite utilizar la enzima vanas \·eces. b) Permite separar fácilmente el producto de la enzima c) Se puede controlar más fácilmente la formación de productos con tan sólo re· tirar la enzima, por lo que bay un control mis precIso de [a transformación d) Se pueden llevar a cabo reacciones multieozlmáucas. e) Penrute la fabricación en continuo. {J Permite el empleo de eazunu que no es· tán aceptadas como seguras para &Iimeau.ci.óa .e azU:p~ .,,'..G.RAS fCdJur.i1llw Rlgardtd A.r Salt). g) A"menla la eslabilidad de la enzima. A) Mltodos di inmoviiilaCWft tú tfttlmas Los pnnopales de enzimas soo:
métod~
de inmov1!izaoón
121
FIGlaA 6_1 J Inmoonli.roci6n de ornri'mcu po.- cdiOrcioo.
2. InlUllCcJ.6n J.6rnu. Esu unión se basa eo las arracciones electr05t.iuC&S que se e"ablece:l entre las cargu de d15tlOto SIgnO que presentan en su superficie tlnlo el sopone como l. ellZl.· ma (figura 614). Todu lu erwmas se comporan en medIos acuosos como poli=I~C!rolilos de superficie, es der::IT, los grupos iomubles se encuentran eo la supertir::le de la molécula mIentras que los res· 105 h.drof6blcos de los aminoácidos están dd· ,Idos haCIa el interior Los grupos ioniubles de lu proleínas (grupos cuboxilo '! grupos arrj · no) que no est.in comprometidos en enlaces pep!idlcos pueden encontrarse, dependIendo del pH del medio:
- SIn dIsociar (SID carga). - DIsociados y con carga negauva (-COO - DIsociados '1 con carga posItiva (-NH J ' ). 4
).
Los soportes utllindos mis habttualQente son las reunas de IntercambIo iónico, que pue· den ser llntéticu o denvadas de poIincindos. La tnmo\'ihudón por interacción iónlCl es tan sencIlla como la adsorCIón física Sólo es necesario agitar una dlsolur::ión de la entlma
con una suspensión de la resIna actIvada O ha· r::=~ pa.sa: esta disolución por una ,columna en la que se ha empaquetado la resina. Este tIpo de unión es mú fuerte que la ad· sorción fisica, pero es débil en comparar::ión con ouos métodos Para eVII&.r que el catal1U' dor se separe es necesario controlar e:t todo momento la fuerta ¡óruca '! el pH del mediO 3. Unión cOlIgfeme. Este lipa de unión es mu) estable ya que los .itomos Que unen el 50· pone) la entlmJ comparten pares de electro· nes Sm e:nbego. a \e::es ésta tiene Que ¡utarse previamente y se pueden onglnar cambios en la conformaCIón de la enZima, pudIendo ocuionar pérclldu de su actIvidad , La inmo~'I' IiZKión se reahu en dos partes en la pnmera., el soporte se trata con un reacli..-o que aCIl\'1 alguno de sus grupos funCionales, a continua· ción, el soporte acuvado se mezcla con la enrina y se unen. us enzimas Inmovihzadas mediante unión covalente no tienen, sin embarlo, muchas apli· caciones en la Industria Alimentaria debido a que los reactivos empleados en eSle tipo de inmOVIlizaCIón pueden ser tóxicos. Además, son mbodO$ muy complIcados '! aros para llevarlos a cabo a yan escala. La unión enlre enllma y soporte puede ser~ a) Directa. sopone y entlma enlazan dlrec·
tamente b) Con espaciador; soporte y enzima enla·
un mediante una molécula espadadora, lo que normalmente aumenta la actlvi dad de la enzima porque le da un mayor ,rada de hbertad (figura 6,15).
la naturaleU de los sopones es muy diversa ' a) Inorg.inicos ~ vidrio poroso, tIerra de di'
lomeas b) Polímeros naturales celulosa, dextrano, FIGt&t.
l. Inmov,litoc,On de enZImas por interocclOn iOniCI;I
Ó,
agaroY c) PolfmerO! SIntéticos' metacrilalos, acrilalos, acri:a::"!:d.u,
EnUecnJUldo
eoo_ FIGUlA 6.15 Inmovilización de en:mnCi poi'
1,,lnU)fI
CoYQlenre . ÑCUlA 6 . 16. lnm~llll.OciOn d •• nrimol
4. E"f'ecru~(Jdo O unión Utltrmolecu(ar. Esle método de inmovilización se basa en unir entre si, por enlaces covalenles, moleculas de cotima. empleando reactivOS polifuncionales. dando lugar a agregados Insolubles de gnn masa molecular En este caso, la enzima fun ciona como catalizador y como soporte Una v3ri311te de este método es el cocntrecrullJdo. donde [a enzima se polimeriza Cfl!re si y con otras moléculas mactivas. El polímero final tre nc mejores propiedades mecánicas y la enzima presenta mayor actividad (figura 616). El entre cruzado se consigue Incubando la enzima con reactivos polifuncionales (nonnatmente ¡Iularaldehído) que reaccionan con los grupos ( -NH! y (l-NH! de la proteína dando bases de Schlf{ 5. Auopomitnro. Consiste en la localiu·
ción de la enzima dentro de una estructura polimtrica tridimensional que impide su difusión al exterior del polfmero. El tamaño de los po' ros de la matriz debe ser tal que pcnmta el pa· so de los sustratos y productos resultantes de ¡a reaCClon, pero no el de la enzima.
•
por e nlrecn,¡zodo
El alrapamiento de enzimas en geJes poli· meneos Insolubles se realiza mezclando la enrio ma en disolución con un monómero soluble. Una vez realizada la mezcla se provoca la poli· merización e insolubilización del polímero me· diante diversas eSlrateglas. La pohmeriuclón presenta dos riesgos pa~a la enzima; 4) Los monómerO$ y los radicales formados
durante la reacción pueden reactionar con la enzima e ¡nactlvarla. b) El calor generado durante la pohmenza · ción puede inactivar la enzima. Los soportes más utilizados son los algina · y las poliacrilamidas. pudiendo presentar diversas configuraciones como esferas. fibras . etc. (figura 6. 17). lOS
6. Mlcroellcopslllaci6n. Se puede conSide -
rar como una variante del atrapa miento en la cual la enzima se reUene entre membranas se·
124
fecnologio de los AiimenlOJ. fl! Componen/el de 10, olimenlOI >' prOCftlOl
Es/eras
Fibras
FIGIJ ...... 6.17 InmoYilizoción de enzimos por otmpomiento.
mlpermeables que permiten el paso de [os sus· tratoS y de los produclos pero no de [as enzi· mas. Una dlsoluci6n acuosa de la enzima se mezcla con un mon6mero hidrófilo y se emul· siona en un disolvente orgánico inmiscible en aguO!. Po~teriormente,-se ai\ade un monóme!o hidrófobo y soluble en la fase orgánica que re· acciona con el monómero hidrófilo fonnand o una pelfcula de polfmero en la capa Urnite en· tre las (ases acuosa y orgánica daodo como re· su!tado la inmovilización de la enzima. Este ti· po de inmovilización de enzimas es de gran uti· lidad a escala induSlfial (figura 6.18).
7. Inmovilización en sistemas de dos fasd. La enúma es retenidJ en una fase y el produc· to se puede eliminar del reactor con otra fase ¡nmisclble en aqut:Ua. Un posible problema es que la enzima se puede desna turalizar en la interfase. sobre to· do si las fases se mezclan vigorosamente para que haya mayor contacto. En tt:rminO$ genera· les, es un sistema poco agresivo y generalmente no precta a la actividad enzlmatica.
8. Inmovilización por mtmb'llnas. Las membranas se pueden utilizar para retener a las enzimas en el r~ac!or rnic:J.tras que los prn·
duetos se elinnnan al exterior. Los materiales usados p..tra léS membranas son muy diferentes y se pueden ú¡:>cimiZ::!r t~nicndo en cuenta las particularidades de cada enzima. Este método presenta la gran ventaja de que no afecta a la actividad de la em:ima. La elección de un método u otro de inmovi· lización depende fundamentalmente de cómo afecte dicho método a la actividad de la enzima.
B) Eftero
d~ [1.1
InmOVIlización
d~
ulúmas
La inmovtiización.de enzimas puede te:l.eí varias repercwlones: 1. /nacllvaúón durllnte 111 Jf1mOlli[¡~ación. Los métodos de inmovilu.acióa ea los que in· tervienen enlaces químicos de los grupos fun · cionales ar.tlVO$ pueden tener el riesgo de oca· sionar la perdida de su actividad catalítica. Pa· ra reducir este efecto se intenta que los enlaces estt:a lo más alejado posible de los grupos activos e, ioclu.so, se ha propuesto que la inmovili· zación se lleve a cabo cuando la eOzlma y el sustrato estén ya unidos de forma que los gru. pos del ceatro activo no intervengan en la unión al soporte. Tunbit:n puede baber ioacti·
CopiMo 6. I(j/aminol, min.,oI.J y enzimas
125
F1S8 ~cuosa .. mooómero hidrófilo
EnZIma PoUmero
1----.--
flGUtA 6 18 Inmo.,.¡lil.ociOn d. enl.!rncu mediante miaoencopsvloc¡o.,.
yación po r altas temperaturas O por otras condiciones des(J.youbles durante el proceso. 2. E{~cto d~ fa trartS{erettcUJ dz m41a. La Yelocidad de la reacción en un proceso qu{mLco está detenninada por la (onnación de producto l' por los e!ecto5 cintt!cos. En las enzimas solubles la linutación de la transferencia de masa es mínima; sin embargo, si las enrimas están In· movllizadas se puede crear un mic¡,oamblente alrededor de ~stas que lirrute el acceso del sustrato a la enz¡ma.
J. Cambios dz pR. El tTpO de Inaten!ll uulitado como $Opone puede lener influencia en la aCtlyldad catalitica de la enzima. Si el soporte está cargado positiyamente , generará un medio básico Si está cargado oeguiyarneote habrá una alracción mayor de bldrogc:n iones dando lugar a un entorno más ácido. Por lo tanto. para obtene r la má.:uma ac:tiyidad, la c:nrima de-
berá estar en cootacto con una solución acuosa a un pH adecuado antes de su uso en un medio orgánico.
4. Proporción de. sustrato 'J producro. La concentración de sustrato y producto en el entorno del soporte puede ser diferente de la del rc:cipiente de reacción debido a las lirrutaclOoes de transferencia de masa y a la dlfereote pro. porción de estas suslancias. Normalmente se prefiere que el di.u:flO del sistema {aYorezca el acceso de sustrato y la relirada de producto tonnado. S. úrabi/izacidn por inmovi!izacidn. Cuando la uniÓn enlre la enzima y el soporte retuerta la eS[fuctura de la molt!:cula. puede baber una mayor est;¡¡bilidad de la enUma ya que disminuye su flenbllidad, lo que conUen un _ disminucIón de la Ye10cidad de las reacciones de desnaturalización tt!:rmica. La esubilidad de la
enzirn,a dimü:-.uye ,ápidamente cuando aumenta el contenido en agua. 6_ Propiedlldt1 ca/allnca.s dt tnz¡ma.s en mtdios org6nicos. La influencia de sopones oro gánicos presenta algunos efectos adlcion;¡les además de los setialadO$ anterionnente. Dado que se requiere al menos una pequefla canti· dad de agua para que la enzima tenga tlexibilidad y. por lo tanto, sea activa, es importante que el soporte presente una buena hidrofiha, ya que existe una relaciÓn directa entre la hidrofilia del soporte y el grado de reacción obte· nido Con 1M enzimas urlldas a ese soporte.
6 .':.5. ¿EnzimoJ liorel o ¡nmovl/,zodos? Como se ha visto, son muchos los facrores que deben tenerse en cuenta para decidir el uso de enzimas ltbres o inmovilizadas en un proceso. Actualmente, en 101 mayorí¡ de los procesos de 101 Industna Alimentaria se usan enzimas libres, aunque para algunas aplicacio· nes la inmoviliuc.ión resulta mas ventajosa. La elección de enzimas libres o inmovihu· das depende del coste de la enzima. Si éste es bajo VOl a ser dificil encontrar un procedifT"ljento de mmovihzación que sea rentable económica· mente . 510 embargo, si son caras pueden ser una alternativa atraCllva. Otro aspecto impar. tante es saber si se permIte la presencia de la enzima en el producto final ; SI no es así, la in· mOVIlización puede ser adecuada ya que, en cualquier caso, la enzima debe eliminarse. La presencia de mate:iales sólidos ,ambi¿n puede entorpecer el uso de enzimas inmoviliza · das en soportes sólidos. En este caso hay que tener en cuenta las limitaciones de la velocidad de reacción y la posible ¡nactivación, aunque esto se puede compensar por el incremento de la estabilidad de la enzima cuando se somete a un proceso de inmovilización. tstas son mucho más estables que las solubles, de lal forma que
se pueden almacenar durante más tiempo, incluso a temperatura 2..&'rIbiente . Las enzimas inmovilizadas, a diferencia de las libres, permiten los proceSQs en continuo. El tiempo de permanencia de: sustrato en el reactor es menor en un proce;iO en continuo que en uno discontinuo, lo cual :ambi¿n resulta ventajoso si no hay reacciones cruzadas Es evidente que son muchos 'os factores que hay que lener en cuenta en el momento de deci· dir el USO de enzimas libres o inmovilizadas. SIen· do tonveniente a!1ahzar cada case por separado. Otra ahernativa que se tend,á que ,ener en cuenta en un futuro próximo es el uso de célu· las inmoviliz.adas, ya que. en ¡Igunos caws, en lugar de purificar las enzimas se podrán utilizar directamente microorganIsmos. siempre que no se produzcan, además de las tra:Lsformadones buscadas, aIras no deseadas. Pre~ntan la ven· taja de que la mayoría de l~ métodos desarro· liados para inmovilizar enzImas se pueden utili· zar con lu c~lulas. Además, se ha comprobado que la estabilIdad de los biocatalizadores es incluso superior a la de las enzimas inmOVIlizadas
Bibliografia BELlTZ. H. O Y GROSCH, W. (1997): Qui"uco de los o/imtIlIOl . Acribia. Zaralou. OAVIOEK, J. VELlSEK, J y PQKORNY, J (1990 ): D~v~/opmtllu 111 {ood SCle11Ce 21. Chtmi· col c;¡lInges dur¡ng {ood procuJllIg E!sevler
AmSlerdam. FENNEMA, Q . R. (1992): Quínuca dt los a/,mtn 101. ACrlbia. Zaragoza. FENNEMA. O. R. (1996): Food C;¡emiSlry . Maree!
Dekker.lnr;. Nueva York. NAGODAWITHANA, T. y REED, Q. (1993) En{ymtJ in {ood proussing. Acadcmic Pren.
San Diego. TUCKER, G. A. Y WOODS, F. J (1991): En¿ymes In {oad processlflg. S!ackie. Glasgow y Londres.
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- - ..o-'''' -;...~.-,-
RESUMEN die-w:!o del tipo de nutr incoción, se hoblo de r.po ,¡ciOn [odlc:iOtl de los nUlTi."'es parclidos durante el proce'Cl tecnoIOgicol . fort,ficociOn [odlCión d. nu-: ' en~1I poro o!»'n.r un prodUCTO con un eco. tenido 'uperior 01 origil'lOi} Y InI;quecimiento [odio etor't o~ n"m'l.n'll de acuerdo COI\ normos d.~ni. do;: por reglomellloClOl\IJ ot.e,oles]
l . los VIIomll"IOS y mineroles lOf\ oI,sonutri.ntes, pI'".nl.1 en 101 oHmerUoJ, que 1I organismo rtq",ie-. poro realizor IUS oChv.dodes fisiológicol , alim.,~;;!, le producen dur;;!nte 101 manlpulcCIO'lel que le oplicon a lo molerio prima onlll de IU prOCISO' do, ¿urCllte Iot Crv.rsOI procIJ.Cn tecn.ológ':Cl oplicodol o lal c lt menlOI y durontl ~u oImoc~ nomienro
2. !.al pera.dol de vdominel en 101
J, lell perdido, d. mmeroles loan mucho mlllOl'II c;ue \c¡ de viromlnal y SI debef, pril\C'polmenre fenómenol di luuviocion y e IU in t.rocci6n con etr01 componlnres de 101 olimenlOl
°
4.
Erm. los vilomlnol
hidros.o!ublel. I,II\(Is iOn IInli. bies al Olliglt'lO (por e¡lmplo, vilamil"o e y fol olo&!, algunos wn te,m0l6bile, lpor ejemplo, 1;0,.,ino, VllOmino 8 11 y vilo.mino SJ y otroswn Iotolóbilll, di iotmo particulot k, nboAClVl ne Dado $U hldro~llo. po,'e d. los vitamina' d. 'I~' grupo ~ perdene por lutiVloci6n
S Lo¡ vi!omincs I'powlllblel, d, iotmo g'l\Irol. Ion mCII lermoe llobl" que lo, h,d'0101ublll Son .mborgo, lombi.n de lormo general, ,0t1 mOl ,en5;bles o 10l oXldodones y o lo luz, lo que hoc. qUI puedan producir5e perdidos importa nte, duro lile el olmocenomllll!O
6. Tonto 101 vtlOmlnol como lo, minetolel puedln ufl. II.tQrs.e como odlllvo, nU'flnvo" cuyo odiClOll " dellOlTl ino, genericomellle, nulrificociÓt'l D.peJ'lo
7
c~1 , 1I':,mcS Ion proreincl Ilntet'lZodcs po!" el o.'Scn"mo con la nnolidoc:i upeeiflco de co.roli. zor ,IO::C,OI\II o.oquimiccl tel e:'\.Z.:mol e"ldo. glll-OI dllal olllnenlO' que pr"enlQn mayor illr. rin Ion 101 hidtolo,ol (por .¡em?Jo. omilO SCI, P!!:!1nOWI, prOl!Ol.al. ere] y ox'¿orreducrolol (poi- e¡emplo . .,-roxidoICU, cotololo. li poxiglng. lOS, erc _),
8 En lo ¡nduw,o A],menrotlo. lal enzimOI pueden u·i:i.:crs. con diversos nnalidadu. Unal se "'Ion ~ po ro. . 1 onóli';1 de eiel105 componenrel de IoJ olif'te:l:o, !por elemplo, determinadOIl d. Itonol, Ocldo IOctico, glucoJo, e tc .), algunos 11 emplt::n poro.1 corotrol de C.,Iol procesal (pot I I.m.* , lo 10lfolcno olcal.no y lo Ioct~roxi. dala en el control d. lo po5relzociOn de lo le~h.) y aIro, le ulllizoll poro \o eloOorociÓII de CllrlOS prodUCIOI lpot '¡''TIplo. omilcso en lo producción de pOli, quimoslll-O en lo llobotoclon de qUISO, etc.)
9 t ::;¡ Ir:;,"':::1 in''''OV'¡: ':'.:~:1 se ni:::" -::;U¡I~IICO {in'-r. oce_OII ionice, unión covolen!e] o fhicomen!e ¡enlre-cfl.lZodo, miCtoencop, ... lociÓl'lJ O wpotles C¡:;I.:l¡:';C¿CI pere IV UI O C::M'l'10 ccldizadOlIl de ku reacciones especificos
7 ALIMENTOS FRESCOS
En este apirulo I~ t:5tudi.J el orisen de los llim~t~ que el hombre consume, lu au~ de W Ihenciótt y, de fonn.a esquem!'io. le descri· ben tu eslntesi.Js disponibles ~rl la conscrvlción y tr.msform~ci6n de
los ¡Iimentos.
7.1. JJteracion de los alimentos frescas Los alimentos que el hombre consume proceden de los reinos ve!etal, ."imal y mineral. Del vegetal consume semillas. tallos. hojas, raices, frutos, bulbos y tubérculos Del remo ani· mal ulihz.a como alimentos ciertas secreciones (leche). el tejido muscular, vis;:eras ~. OIrOS sub· productos, huevos y miel. La cont;lbuci6n del remo mmeral se limita. a efeclos prácticos, al apone de agua y cienas sustaQCias minerales. Exc~pluando la mie\, que debe su estabilidad ¡ [a baja actividad de agua (a.), los alimenlOS de ongen ammal son productos altamente perecederos. La baja estabIlidad se debe a lu actIVidades de diversos agentes, destacando, en primer lugar, los microorgamsmoJ_ Entre ellos y el bombre se establece una lucha por los alimentos que consti tuye una verdadera carrera de velocidad, quien antes llega a la preS:I es el primero en consumi rla Sin embargo. cuando los animales se sacnfican o cuando la leche abandona la glándula mamaria, constituyen una fácil presa para una pl ~yade de mlcroorgaOlsmos que d ispulan al hombre tan \'aliosa fuente de energra y materia. El desa rrollo de los microorganismos en los ahmentos [os hace inutilizables para el consumo huma:lo porque los usan como fuente de energfa para realrur sus funciones vi tales y pane de los productos de deg:a.:iaci6n IOi utilita en la e..:!ifi.:.aci6n de sus propias estrucluras~ su riqueza en nutrientes, su elevada a. y su pH hacen que sean un medI O mu y adecuado para el creCImiento de una gran VITledad de microorga nismos que aleatoriamente llegan al producto Cuando la tasa de microorganismos alcanza ciertos niveles, provocan pro fundas modIficaciones sensoriales (emanación de olores anómalos, aparición de limosidad, acumulación de ácidos, etc_) o fisicoquimlcas (pretipitaclón de las prOleinas, etc.) que convierten al .limento en no apto para el consumo. siendo rechaudo por el consumidor. Se dIce entonces que el alimento se ha alterado. Además. los meta bolitas producidos se acumulan en los alImentos conv,"léndolos,
con frecuencia, en productos de naruraleza t6Xlca para el hombre. Par otra parte , cienos microorganismos (o sus 10Xlnas), al ser ¡ngendos con los ahmentos, puedea dar lugar I la apari cIón de enfermedades. Pero aunque 105 arumales muertos o los tejidos desprendidos de [os vegetal" se hallaran en un ambiente completament~ es!~ri l , su vida ulll tampoco seria indefinida porque ¡ntríose· camenlC son ponadores de otros agentes alteantes no menos podero$;)s [as enZlmtu Duraf[rlCZ. Mientras que 101 tClidos que conslln.:y:n los alimentos se hanan formando parte de los seres vivos, sus SIstemAS e!'\Z.lmiw:os ~stán bajo control, de modo que sus acelOnes metabólicas no \·an más allá de! pumo estrictamente necesano. Sin embargo. cuando las células mueren, se inactIVan los mecanismos que gobiernan la actividad de estas enzimas que al ponerse en conuc:o directo con los respectivos sustratos acarrean la lotal destrucción autolltica de los teJIdos. Pero SI se pudiera eVItar la acción de los mi· croorganlsmos y de las enzimas autoliucas no por ello se mantendrfan los alime ntos en condiciones adecuadas para lU consu mo de una forma mdefinida_ Aún eXLSten ouos agentes que Igualmente ocasionan la alteración de los mismos: las rtQccionu quimictu El orgamsmo vivo es capaz de neutralizar estos procesos pero una \·ez ha muerto es impoSIble evitar que en el matenal abandonado a su propia suerte se desencadenen reacciones de los propIos constituyentes de: los alimentos entre si o co n sustanCIIS de origen extrínseco, como el oxfgeno at mosf~nco, que dan lugar a la acumulación de sustancias (a veces )X1")udicialel) que onglnan el rechato del alimen to po r el consumido r_ Estas reacciones consti tuyen una serie de fenómenos muy complejos en los que no participa un solo agente sino que se ven favoreC idas por diversos fa ctores de origen físico o qu(mlco. Entre los de naturaleza fisica cabe destacar la lUlo solar. que {acd ita la autoolidaci6n de las grasas y ocasIona la aparición de ciertos aromas an6malos y de decoloraciones superficia-
CooiMo 7, AI/m.rolO! f..-. JCOJ
les en los alimentos Las temperaturas exceSl vamente elevadu favoreceo reac:cioocs per)u, dicialts para la calidad de los ahmentos, como las de pardearruento no enrim.tlico o la desna· turalu:ación d~ las proteínas. Los asen le! quf· mIcos capaces de causar alteración en los ah· mentos son mur diversos p!ro, ent~e ellos. pueden citarse los áCIdos y los á!cahs, podero· sos agentes desnalUuhunles de las proteínas. los metales pesados. que faci li tan 115 reaeao· nes de autooxidación además de ser tóxicos a concentraciones elevadas y el oxíg;e no atmosfé· rico. que ?at'ticipa en tocas las reacciones o.li· datiVa! que ocurre n ene r! los componentes de los ahmentos Existen, por ultimo, otros agentes que pue· den o~lg¡nar también alteracio nes en los ali· mentas que. más bien, son descuidos de los manipuladores y ocurren por acciden tes, son los agcn/eI mecomcos (,alpes, aplastamleO[()S. etc.); éstos adem.ts favore~n la actuación de OtrOS agentes. QuizAs, el ejemplo mis ilusual!' vo de este grupo sea la rOtura de los huevos
7. 2. Estrategias de le conservadon de los al imentos Si se pretende ampliar la vida ütil de los all ' mentas. es necesario luchar contra los agentes alte rantes Este es, pues, el primer obJetiVO de la Tecnología de los AlImentos, es decir, la con· servaci~n de los alimentos. Contra los agentes físicos y químicos es, ge ne ralmente, (ici[ luchar. Contra la luz, medi"n· te el uso de envases opacos o protegIendo a los ali mentos de la exposiCIón a ella. Con lra los ácidos y '!call$ que pueden ser vertIdos accl' dentalmente sobre los alimentos mediante un envasado con mate riales adecuados o, si ya se han producido. neutra lizándolos o empleando sustancIas tampones. Contra [0$ metales. me· dianle e[ empleo de un malerial apropiado o usando quelantes o secuestradores de iones Contra el o:{íse:'lo, qu:zis el r
13 I
mósferas de gase.s inertes o, mcluso, haCiendo uso de reactIvos que lo consumen. Conlra 1m agentes mecánicos, mediante una manipu!... · ción cuidadosa O utilizando para el envasado y empaquelado matenale! reSISlentes. La tucha contra los alerHes bIológicos. e n especial los microorganismos, es í.lucho más di fícil y es en etlos en los que tundamentalmer· te piensa el tecnólogo de los ahmento$ De he· cho, la mayoría de los métodos de consen'a· ción e.:ostentes se han dlsel'lado o mejorado p¡,. ca deSlrulr los mlcroorgaOlsmos o mhiblr su crecimiento, A la Te::nologfa de los Alimentes le preocupa mucho menos las enzimas autoLíli· cas presenlCS en los alimentos de origen a ni· mal, dado que, generalmente, son mucho más sensibles que los microorganismos de tal torma que cualquier tratamiento que sea eficaz para atajar el desarrollo microbiano lo es también, con muy pocas excepcIones (las radIaCiones 10· ñluntes, por eJemplo).-par3 Impedir las actlV! ' dades enzimiricas Para que los mlcroorgamsmos puedan alte o rar un detenru nado alimento se precisa, por una pane, que entren en conllllCIO con él y, por olra. que se multipliquen en elllUsmo. Caben. pues. tres estrategias generales de lucha. Impedir que lleguen al producto, desmurlos si lo han alcan· zado o impedir su multiplicaCIón estableciendo condiciones disgenésicas mediante modIficaCIones ambientales En relación con la pnme ra eSlrategia hay
'32
Tecnología de 101 A1imen/ol,
t'! Componeillt/J de
la ooscrvación oe meciláas iHgH~mca5 j IJnlO a ia modificación de las condiciones ambientales, en especial la temperatura (reingeración) con!leva un aumento de la vida útil del producto fresco, lo que es muy importante en los alimentos que se expenden en dicho estado, tal como la carne o el pescado. El segundo grupo de m~todos para luchar contra los microor.ganismos es su destrucción, lo que se logra fundamentalment~ con los tratamientos térmicos, aunque también e;{iste otro método igualmente ef;ca.z pero ce mucha me!· flor aplicación pracllca: es el tratamIento con radiaciones ionizan tes. No obstante, recienterne:lI: se están desarrollando nuevos métodos, como las altas presiones o el calentamientO óhmico u otros qt!e sor. ::orr.bmi!ciones de métodos ya existentes que aumentan la eficacia bactericida, como la t~rmouJtrasonicación (aplicación simultanea de calor y ultrasonidos) o la maaot¡::rmosonicación. (aplicación SImultánea de calor y ultrasonidos a sobrepresión). El tercu tipO de medidas que se pueden emplear en la lucha.L:ontra los microorganismos de los alimentos es la modificación ce ras condiciones ambientales, creando unas que impidan el crecimiento microbiaJ:!O o que, al menos, lo inhiban eficazme nte. Eatre es:as medio das se pueden citar el descenso de la actividad de agua (a.J meCiaDte la deshidratac:óo d:1 alimento (leche en polvo , por ejemplo) o la aCición de 5el:.1t05 (leche coode:Ui!.d2, por ejemplo), desu:nso de la temperatu ra a nivel de refrigera ción o congelación, descen50 del pH, tal como se hace en 10$ esca~cbes, adición de sustancias químicas (conservadores), modificac ión de la atmósfera, por ejemplo en riqueciéndola cn diólido de carbono o eovasando el alimento' a vacío, etc. La mayoria de estos métodos son se lectivos; DO afectan por Igual a tOdos los microorgan l smo~ presentes y, por lo taoto, lo Unico que bacen es aumentar la vida útil en la mayoría de los casos, como ocurre coo la refrigeracióo o envasado a vacío. De estos melodos, sólo la congelación o la reducciÓn de la ti .. por debajo de valores de aproximada-
/')$
olimentOI y pfoceros
m~nte O,Ó d~ti~nen ,ota:men'e el crecimien.o wicrobiano Otras veces, la mayoría, no se utilnao estos metodos de Corma aislada $100 en cenjunción con otros. Por ejemplo, en el caso d( la leche condensada, la adición de sacarosa va unida a una pasterización; en el del yogur se conjugan la acicificación y la refrigeración y el de envasado a vacio va unido, a veces, a Ii! adición de sales del curado y al almacenamiento baJO reirigeración. En el cuadro 7.1, se muestra de forma resum'da Ii!S diversas estrategias que pueden utilizarse para conlColar los dIversos agemes altera :lIes de los alimentos.
7 .3. Estra teg ias de lo transforma ción de la s a limentas Otro de los obJetivos de la Tecnología de los Alimentos es la diversificación de los mismo5; con ello, se prelende elaborar unos proouClos salubres y apetecibles con forma y/o propiedades sensonales distintas de las de la materia prima. Una buena parte de la Industria Alimentaria moderna se mueve hey día para conseguir este objetivo Y. de hecho, muchos de los procesos que ~e aplican a JO$ alimeatO$ sólo tienen esa justificación aunque tiempos alrás su fin fue ra también el de la conservación, ya que actualmente dichos métedos han sido plenarne!nte superados por.olrO$ procesos más efica· ces.,!Jn ejemplo muy claro es el queso; si antes era una fonna de aumentar la vida útil de un prvducto muy perecedero, la leche. al ti::npo que se elaboraba un producto nuevo, en la actualidad es posible conservar dicho alimento mediante la esterilización o la deshidratación y, pr¿cticamente, la elaboración de queso es un medio de ofrecer al consumidor un alimeoto de caracteristicas muy dife rente! a la leche de donde prou:de. Tal vel el procedimiento de transformacióo mis antiguo sea el ahwnado. ya utilizado por el bombre prehistórico. Duranle el mismo se depositan en el producto una serie de sustancias quí-
Capítulo 7: A/,mentol "fUCOS
~'.", ~
'=:;' In~jbic;c.,
cr.cimOenro mOcrc;bian .. 11 l.
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Inkib;.x.n d. g.,,,,i/lOC>Ó,,
r.rmizociOn II) Pg"."z<><:io., (1, 21 é,ltIih<><:,On (l. 21
Aplicgdon d, colool
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AplicociOn dO' 'od:oc"",..
ron'l""". Boc-.nocingen,..
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micas (ésleres, aldehidos, renoles. etc.) generados durante la comoustl(>n oe la manera. En consecuencia. el producto adquiere un sabor, color y aroma diferentes a los de la maleria prima de la que se partió y, al tiempo, aumenta su estabilidad cOrrrQ corl$ecueocia, por una parte, de SWllanaas antimicrobianas aponadas por el humo, como el formaJdehido y, por otra, del descenso de la o.. debido a [a d~h.idrataaón parcial
que se produce. No obstanle, hoy tiene poco senudo como metodo de conservación, como 10 demuestra la tendencia creciente a apUcar ahumados suaves, menos eficaces como melodo de lucha Contra los microorganismos pero más apetecibles pcr su sabor y aroma menos acusadO!. Otro de los procedimientos de modificar las . propiedades seosoriales de los a1imeOlln es la utilización de microorganismos. No todas las ac-
ciOD~S que lo! rru=roorganismos produce:: SO!! delettreas; el hombre aprovecha las actlvxlades de a1gUDOS para la elaboración de altmcntos que, mucha! veces, ni sIquiera recuerdan a la maleria prima original. La forma de conseguir eSlos nuevos productos es a travts de las fu· meDIaciones y los procesos madurativos Am· bos son. en pnnClpto, espoilt'neos y son, en esencIa, degradaciones de los componentes ma· yontanos de los ahmentos origtnales. Asf, el homb:e ha ventdo elaboraado desd: tiempos remolOs )1 de fonna emp¡rie¡ diversos allmen· tos, como Y'lno. ccrveu, pan, quesos, leches fer· men'adas, embutidos, ece, Ho}' se wnocen pero fectameDle un número relatlvamente grande de fermeMaClones, de las cuales las mas Importan· tes son la lactica , la alcohóhca, ta aceltCa y la propiónica Son unos fenómenos en los que los carbohidr¡HOS se transfonnan mayoritariamente en kido lácttcO, etanol, ácido acéuco y propló, meo, respectIVamente, acompallados sIempre en mayor o menor cuantía de otras sustancias que son de gran Importanaa en tanto en cuanto pantClpan en el sabor y aroma de los productos fermentados, En dlve~$ product05, los proce· sos fermentauvos van acompaftados de los ma· durati\'O$ Se deben, en esen.::ia, a la acción con· Junta de reacciones químicas (autoox\datlvas, de Slred:~r, etc,) y fenómen:)$ degradatlvOl ca· taliudos por enzimas de diversa procedencia, unas pres~nt:s na'turalm:r:t: =n el producto (protusas, ¡¡pasas, etc.), algunas atladidas in· tenClonadamente (por ejemplo, la qUImosIna en el caso de los quesos) y otras aportadas por los microorgAnismos que han alcanzado el produc· to de forma n&tural o han sido adicionados con ese fin. El resullado es una serie de transfonna· ciones debidas a las complejas reacciones qui· mIcas y bioqu[micas que ocurren durante el proceso que acarrean la degradación parcial de los c;omponentes mayoritarios (hidratos de caro bono, proteinas y Ifpidos) y la acumulación de numerosas sustancias de baja masa molecular, la mayoría aromiticas y sápidas Durante el pro· ceso, el produClo adqUiere las caracteristlcas fí· SlcaS, qUlmlcas '1 sensonalcs que le e¡raclenun.
Ot:a forma de trUlSfor:t1ar los a!imeotos es medianle ellZlmlS. En Enzunología b4slC& preo.cupan poco las enzimas btdrolftica.s por ofrecer escasa complejtdad pero, eo cambIO, en Tecnología de los Alimentos son de múima utilidad Ya se ha comentado en el párrafo ¡¡ntenor el uso de microorganismos como taJes, en defin¡o tl\,! de sus acti\idades enzimáttcas, en los pro· cesos fermentativos y maduratlvos Olru ve:::es se uuhzan enzimas oblm\das de microorgams· mos o de o~as fuent~s blológ:¡c.as, tal es el c.uo de la qUImosIna en la fabricación de queso o , modernamente, proteasas y ¡¡pasas de diver1as pr~dencias para acelerar el p ro~so madura· mo de quesos )' embutidos Otro ejemplo de es:a nalural=za lo consmu)'e la glucosa oxidasa para eliminar la glucosa del huevo, que ha ve· nido a sustitUIr al método microbIOlógIco (con b 'aduras y bacte nas) que se utIlizaba anterior· men!: Con frec.uenaa se recurre al uso de adItIVOS nalUrales o artifiCiales para diversificar los ali, mentos, Se uuliza,n con este fin aromatiza,ntes y saboriz.antes, como cinal, sacarina. aspaname , etc; modificadores de las propiecadel funcio, nales. Entre ellos leclltna ~' di· Y monogl¡~ r i· d05 como emu!sionantes; gelatina ). goma.s ve· getales como estabdizantes, almidón y pectinas como espesanles; vitaminas '1 minerales como forti ficantes, etc., y un ampbo grupo de medifi· :~do~!s d~1 color, !3!~S :crr.c !.::1al"a!lIO , carote· no, clorofila, bixina, etc. En la Iransrorma:lón de al.mentos se neceo sita mucha:; veces aplicar una serie de opera· Clones para la preparación de materias pnmas y la elaboración de nu=yos alimentos Ent ~e ellas cabe citar las de reducción de {amallo (pI' cado, molienda, etc.), las de separación (filtración, centrifugación, des tilación, etc.) y las de mezcla (el amasado, por ejemplo). Muchas industrias alimentarias actuales, en un afán de responder a las necesidades sociales de! momento, caracterizadas por una falta cada ~ez mayor de tiempo ltbre para destinarlo a las labores domtslicas, trat.a de proporcionar platos clXlnados y precocmados de filol consumo
Igualmente , la necesidad de preparar comidas para colecrl'tidades ha hecho que se desarroUen enormemente la preparación de raciones individualizadas para su uso en comedores colectIvos cercanos a las coci=as (restauracjón) o en smos alejados. como aViones, trenes. rest~ · jos, catering, etc. Todas las operaciones de transformación de ahmentos que se han citado es!án deSlinada ~. por una parte a eVltu CIer en una alimentación rutlnana ya que el hombre , como ser capricho· so que es, exige dIsponer de una gun dl\·ers.dad de alimentos y, por otra a facilitar. de acuerdo con las formas de vida actuales, la ne o cesldad diaria que el hombre llene de ingenr alimemos. En el cuadro 7.2 se recogen de forma resumida las estrategias que pueden utilizarse pan la transformación de los alimentos. ~
O&J[lNQS 1_ 1"",.....,,"'" lo <:o~dod I>UII.h"'O '1 ModiIM:.... lo co~dod .... 3 <~r.!:l,.1 ~.urnc
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Fortikociótl, e¡,nqu.eo ... i..uo ...... tllCtÓII
Ad",";" d. e" .. """ Ad",>Ón d. lTIic,oor~a",lII'C' (c...JtiOQ' .niciador• .¡
RESUMEN los olimenlo. q ue . 1 homb.-e consum. ptoc.o.n del ,."10 "eg.rol (se",iliol, 1tI1101, ;,ot0l, ro.cel frvlos, bulbol, l\IMrculos, I tC.). onimal (I~h. corne, ~ue~ol, mi.11 y mineral (o ,f.elol ptÓclt. cos oguo y c",IOI lusloncios mln.rolell
2 !.es 01:1'>111\11:>\ d. 00gen c"i",ol, dé¡d:r ::: b llII'r'II\IIU que contrenlilfl y o le !'!evodo o .... lOl'\ pro. doclos oltomenle perecederos, "eodo 101 miaOOl gon·smos los princ'pele. osern~ alteron'-s J Aparre di los m.aoorgon •• mo., los OI;tMI"IlOl 11 p!ACÍ1f'l o~lerc, por accionel et\ZlrnOticO' [fundom.nro!menl' eI"1zlmo. oulOliItCOI) y quim+C01 (por e¡emplo, ot,¡loollidoción de ka grOWI y p<:lrdeomiento no eru:,mÓlicol Pueden 'Ililhr OIrOI COU~I di olteroción d. menO!" rdevoncic (pot . jemplo, oroqu. de i.,secrol y roedorel, COI.IWS mecónicas y d.m6hCOI, etc) por ler locilmenle conlrolcble. 4. O.b,do 01 corócl.r per~edero d. 101 ol. m.nto! d. ori91., onimol ~~ necesario emplear mel~1 ¡¡!:r':: I~ -:~~lerv:::::,ot1 , !I ¿e-:;I(, ~!:::: ':: e_"l¡¡.;~ C>Ó!"l de IU ~ido üril. I.os metodo. que d'lpOfIe IQ
recnolog'o d. lo, Alo",.nlos poro desoclivar o i.,!ooibir lo, ogenlel olleron'l' " fundomenla., In e! delten$O de lo I.mperoruto (refrigMoción y congelación!. d'lCen$O de lo o .. (deshidrolación, delecociOn, I!onlrz:adón, e~oporoción y odicion de .olutcs). d.KIMo de lo cot1cenlrocio" di 0 1 Y 011"1"11,10
d, b ¿e COz
[::::' ~6,¡er::::1 "lod: !;~o
dOI), oddincoC;ó., ~e-",enroClón y odición d. oc'dos), oumlnto de lo conc.nrroción di llo nol (ferMenroc:ion y adición de o!coho~, odicíon d. conservodore, y onriOllidonles, oplicación de color {Iermeloción, posI,re lación y eJlet",LzociOnI, oplicación d. rod;ociOMS ionn:onres y UIO de ogentel Qllllm.crobionol
.5 la Iransformoción de alim.nto. esté destinada o increm.ntor lo colidod nulril¡va, modificar lo coli· dad ~enl-Oliol, locililor el CQll~umo. eloberar ou... ..o~ olim.nles y eloberor pIolOI preparado,. Poro ello, se di.pon. de di~rlOs operacionel (reduc· cíOn d. tomaño, operaciones de separación, mez~~, .""lrlJsi~.' rnold.odo, erc.) y Je recurre o !:: ::::::.:lon de ::::;) ...;;a, nll:r.el\o'.I, ;lir.:.ffiC l y::'... croorganismas
8 CONSERVACiÓN POR EL CALOR
En el presente capitulo se ~tud jiln los p:.ramelros que: definl!'n 1011 destructión de los micrOOl1ilniSlT!()5 por el calor. Igualmente, se dtscriben 10'5 tipos de tntilmicntos ¡ermicos que t.e 41plit
que
SI!
utiliz¡n p¡r¡ tlb.
8.1. Introduccion
Uno de los procedimientos físicos de que dispone la Tecnología de los Alimentos para aumentar la vida útil de los mismos es la desuuc:i6n de los microorganismos por la acci6n letal del calor. Erisren dos modalidades de tratamiento ttnnico: uno. denominado posuri:a· ción, que pretende fu[]~amentalmente la h!gienización del alimento, y el Otro, uterili,ación, cuyo objetivo es la des¡ru:ción de los microorga.'lismos presentes esporulados o no, o al ~e nos todos aquellos que puedan multiplicarse en el producto final. Con el primero se intenta conseguir un alimento exento de microorganismos patógenos no esporulados y con el segundo, la obtención de un alimento microbiológicamente estable para poderlo almacenar durante largo tiempo a tet.'peratura ambiente. Entre estos últimos alimentos se encuentran los denominados genéricamente como conservas. Generalmente se admite que este tIpO de procesado se inventó en la transición del siglo XV1[[ al XIX cuando Nicolás Appert, confitero francés, observó que los alimentos calentados en recipientes sellados se poc1!an conservar durante largo üempo si el recipiente no se abría. Los científicos de aquella época explicaron el éxito de Ap~rt diciendo que de una forma mágica y misteriosa el aire se combinaba con el alimento el'itJnco la puaefacci6il. E".ideilte",ente, e~a¡¡ totalmente ajenos a lo que en la realidad ocurria, Hubo que esperar medio siglo, hasta los descubrimientos de Pasteur, para e¡(plicar correctamente la causa de la estabilidad de los alimentos CJp~rtilCJdos. Desde entonces, aunque introduciendo sucesivas mejoras tecnológicas, se han venido esterilizando un buen número de alimentos por este procedimiento hasta nuestros días.
8.2. Comportamiento de microorganismos y enzimas frente a la temperatura
La temperatura es uno de los agentes que más influye en el crecimiento microbiano, en la
actividad de las enzimas y ee 12. velocidad de muchas reacciones químicas. Se ajustan, pues, a la tcuación dt Arrhenius:
lag
y '"
-Eaf2,303 RT + lag A
(8.1)
donde: l' =: velocidad de la reacción. Ea =: energía de activación (l/mol), R =: constante universal de los gases (8,3144 l/mol· K). T'" temperatura absoluta (K). A = constante denominada factor de fftcuencia_ La representación gráfica de la ecuación (8.1) se muestra en la figura 8.10, que predice que la velocidad de la reacción aumenta proporcionalmente a medida que lo hace la te mper.!tura, lo que es válido para las reacciones quimicas depenc:hentes de la temperatura, como, por ejemplo, la reacción de Maillard. Sin embargo, cuando se representa la activid¡¡d enzimática y el crecimiento microbiano a partir de dalQS obtenidos experimentalmente. se obtienen, respec[ivamente, las curvas generales b y e de la figura 8.1, que indican que ambas se ajustan a la ecuación de Arrhenius s610 en un intervalo de temperaturas, La actividad enzimática disminuye proporcionalmente con el
,
,
b
'''' FIGURA 8.1. Repre~enroción de Arrheniu~
Copill.llo 8: ConJell"'o'(IciOn po,.1 color
descenso de la temperarura del medio pero al aumentar ésta. llega un momento en que se pierde la linealidad que se debe a la desactiva· ciÓn de la enzima por la acciÓn del calor. De forma similar, puede decirse que W1 microorganiSmo crece más velozmente (dismmuye el tiempo de duplicación. g) al aumentar la t~mpeiatuta (figura S.lc) hasta un valor (t~m peratura Óptima de crecimiento) donde la grjfica cambia bruscamente de curso. observándose primero un descenso acusado de la velOCIdad de crecimiento '1 despu~s el cese del mismo: se debe a la destrucciÓn del microorganismo por la acción let.al del calor. Sin embar· go, y a diferenCia de lo que ocurre con las enzl' mas, a medida que la temperatura desciende desde la óptima, se observa un descenso de la ve locidad de crecimiento pero llega un momento en que se produce un punto de inflexión en la gráfica que indica que el crecimiento se hace aun más lento hasta llegar a una temperatura (diferente para cada tipo o grupo microbiano) en qu~ se detiene. que no necesariamente tiene q ue ser, en los microorganismos psicrotrofos y pSlcrÓfilos , cuando se congela el medio, ya que en alimentos congelados (hasta unos -12 ·C) se ha detectado crecimiento de algunos microorganismos en la fracciÓn líquida d ~l mismo. La disminuciÓn de la velocidad de crecimiento microbiano y su cese a medida que ia temperatura disminuye, se ha atribuido a la pérdida de actividad de las permeasas a baja temperatura '110 a los cambios en la arquitectura de la bicapa hpídica de la membrana que impedirán la combinaciÓn de las permeasas con los correspondientes sustratos.
8,3.
Cin~tica de la destruccion de los microorganismos por el color
Al aumentar la temperalUra desde la óptima de crecimiento de un determinado microorganismo, pnmero se inhibe éste, luego se provocan lesiones sublelales en el microorganismo, pudiendo scr aun viable pero incapaz de muIti-
139
plica.rse hasta que 00 se repara la leSlÓo 'l. si la temperatura es suficientemente elevada. se produce Inevitablemente la muerte Por tanto, puede decirse. de forma general. que cualquier temperatura por encima de la máxima de crecimiento de un microorganismo e¡ letal para él. Los tratamienlos térmicos letales provocan ~n las poblaciones microbian)S homogéneas un progresivo y ordenado descenso de sus u5a5, tanto más elevado cuanto más prolongado sea el tiempo de exposiCión. Aunque se ban observado ex.::~pcio¡Jes, está perfectamente es tablecido que la destrUCCiÓn de los microorganismos por el calor DO es fortuita sino que sigue una marcha ordenad¡; se ajusta esenCial· mente a un curso logarítmico Así se dem05IrÓ hace casi un siglo. en 1920. para las formas espOluladas de Bacilfus suaro/htrmophifus y otras bacterias causantes..de [a alteraciÓn !la/ sour (acidificación sin producción de gas) de i1gunas conservas. La naturaleza logarítmica de la destrucciÓn de 105 microorganismos por el calor se explica perfectamente de acuerdo con la ecuación ge· neral de las reacciones de primer orden: N,= No' e ..... '
(8.2)
donde: ( s tiempo. N, "" numero de microorganismos en un tiempo l . NII '" numero inicial de microorganismos. k '" coeficiente de letalidad térmica (tiempo_I).
El coeficiente de letalidad térmica define la destrucción de [os microorganismos durante un tratamie nto térmico. Sin embargo, en la bibliografía se encuentra más frecuen temente el pa· rámelto denominado (jempD de reducción dujmal (l1aior D) que se define como elllempo necesario, a una temperatura determinada, para destruir el 90% de los microorganismos pre sentes. El valor D se calcula a partir de la gr~fi ca de supervivencia (figura 8.2), que es la recta
Tecnología da los Alim.nlos.
I dO
mC()IrJponen/eJ de los alimento$ y ptoceWJ
obtenida al representar el loguilmo dd nume · fa de supervivientes en {unción del tiempo. El valor D es el tiempo necesario para Í"travesar un c iclo logarítmico y viene definido, $egun se deduce de la figura 8.2, por la expresióll:
(8.3)
D", d(log NG -log N)
donde: D '" tiempo de reducción decimal (¡;lin). r", tiempo (min). ,Vo .= número de microorg2nismos :lriginal· mente presenles N, '" número de microorganismos tos el tra· tamiento térmico.
El valor D puede calcularse tambiin 2 par· tir de la ecuación de la recta obtenida en la grá· fica de supervivencia. en la que: D:;;l/tga
•
(8.4)
La naturaleza logarítmica de la muerte de los microorganismos-por la acción letal del.ca· lar indica que no es posible !legar al cero abso· luto de microorganismos, po r mucho que se prolongue el tiempo de tratamiento. Po r ejern-
• • ~ •~ •
:~NO
~
z- , ............... , ..... ............ r r , o
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-
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~ N,
I~, T1&mpo
FtCUtA 8.2, Gr6~cCl de suoervi .... ncio.
•
plo, supongase que las formas esporuiadas de Btlcillltl SUblilis presentan un Dilo "C '" 1 mino Cada minuto de tratamiento a 110 "c se destruirá el 90". de las célul2s supervivientes, ob· teniéndose reducciones sucesi ... as del 90%, 99%,99,9%,99,99%, ele., es decir, los supervivientes serán 10%, 1%,0,1 %,0,01 %, etc. Co· mo no es posible obtener una fraCCIón de mi· croorganismo viable. en términos practicas !as reducciones sucesivas sig01fican que habrá una espora viable por una unidad de alimentos con· siderada (por ejemplo. por envase), 1 por enva · se. 1 por cada 10 envases, 1 por cada 100 envases, etc. En consecuencia, el t.!rmino esurili!ado no implica neceS2rilm~nte que el produclO esté estéril en un senlido microbiológico esnicto y, por ello, es más correcto hablar de esterlli· dad comercial. q ue 5ue!e situarse en valores de 1110'·1110', es decir. que el tratamiento aplica· do consiga una reducción (al de microorganismos que el rie5go de alteración sea de 1 envase por cada 10.000 o 100000 labricados. Evidentemente, podría aumentarse la intensidad del tratamiento térmico y conseguir un grado de esterilidad mayor pero tal posibilidad se ve limitada por los cambios quimicos 'adversos que siempre conlleva la aplicación de calor. sobre todo en lo referente a la calidad organoléptica y valor nutritivo. El tecnólogo de los ali· mentos, pues, se enfrerHa al dilema de dismi· nuir el riesgo de a lteraCió n o elabora r un produceo cee 105 :T'inincs cambios en la c:!lidad- sensorial y nutritiva. Hay que llegar a un compromiso para aplicar el tratamiento térmico mínimo con el que se pueda conseguir la es· terilidad come rCIal, manteniendo el máximo de calidad original. La naturaleza logaritmica de la muerte de los microorganismos por el calor indica también que el lograr la reducción de la carga rrucrobia· na hasta un nivel deseado depende del nume ro iaicial de que se parta, lo que implica. en tenn,· nos prácticos, la conveniencia" de procesar ali· mentas lo meDOS conlaminados pOSible. La relaCIó n entre el coeficiente de letalidad térmica, k, y el valor O se deduce de la ecua·
ción (8.:~), que se puede expresar, :omando ganlmoJ, como sigue:
:0'
~ecuc!1.!
de
!~
gd.fic:J
(8.8)
k: (Iog No-lag N,) ' 2,30j/r
(8.6)
donde: l : número de grados (oC). TI y T1 : temperaturas de tratamiento (-C)D¡ YD I = Yalores D a las temperaturas anle · nores
(8.7)
Para cada microorganismo, el valor D es específi:o de la temperatura de nlrlmiento. Por ello, se requiere de un medio para relacLo, [lar los '¡alo res D a cada temperarun. Se hace a travt5 del valor l, que se calcula a pa rtir de las grdfcas de termodestrucción (figura 8.]). Estas se construye o representando los loga. ritmos de los valores D en función de la temo peratun . El yalor 1: se define como el núme· ro de ¡rados centígrados q ue es necesariO aumentar o diSminuir la temperalura para que el valor D disminuya o aumeare, respccuv¡. mente, 10 veces. El valor ~ viene defirudo por
•
r
:~ r . ,___...D. '1"'r ,I I I I j\-, I , , • • • , ___ l-
o
O O
sigu:ecte,
(8.5)
k .2;;o3lD
o•
e:t;:resi~r.
log N,: -kr· log e + log N,
cuando log N,- log N,: 1, se tiene que (: D, entonces:
o
!a
de termooestrucción '
r,
r,
Tempoentllnl rcJ
fGI.;aA 8 3 Grilñco d. termodelll1.K:tiOn.
Los valores 1: para [u esporas bacterianas suelen sItuarse entre 7 y 11 ·C y para las bacte· rias no esporuladas entre ~ y 6 ·C.
8.4. Termorre sistencia de los microorganismos La lermorresislenci3. microbiana depende de diversos lactares inninsecos y extrín~ecos. Los pnmeros se refieren al lipa de mlCroorga· nismo de que se trate'! de [a forma en que se encuenlren. Ea general, aunque bay excepcio· nes, la termorreSLstencll está relacionada con la lempentura óptima de crecimiento. Los mi· croorgafllsmos psicrófi[os y psicrotrofos son más termoláblles que [os mesófilos 't éstos más que [os tennÓfilos. Las bacterias espo ruladas presentan una mayor resistencia al calor que las DO formado ras de esporas y dentro de éstaJ las termótilas más que las mes6fi1u. En relación con la morfología y el Gram, [os cocos son, habitualmente , m,b termorresistentes que los bacilos y las Gram posilLvas más que las ne· gatiyu. Las leyaduras 't los mo hos son bastante sensibles a la acción letal de l calor; las aSCO$poras de [as levaduras algo más resistentes que las ..b:mu i6C~w iv.as y las esporas asexuales ti ~n' den a set algo mlls termorreslstentes q ue el mi· celio. Entre los {actores exmnsecos cabe citar el pH, la actividad de a3IJa Y la composición (coo. tenido de grasa, carbohidratos, sajes) del me· dio de calentamiento. En el caso de las esporas, adqwere releyancia la composición dd medio
de esporulación y la tempenltura a que la bac· !~ ria ·esporula. Todos estos [actores han s1do revisados por diveuru aUlOres, por ejemplo. Frazier y Westhoft (1993) y ¡ay (1993 y 1996). En la prilclica adquiere gran imporuncia el pH del alimenta . Debido a dIo, se ha hecho una claS1ficación de las alimentas respecta a es· te agente y a la termarresistencia de distintas microorganismos (cuadra 8.1). En este cuadro se recoge, como ejemplo, la termarresistencia típica de distintos mic.roorganismos esporula. dos. La separación entre alimentos poco ácidos (PH > 4,5) Y alimentos ácidos (pH entre 4,0 y 4,5) radica en la termorresistencia de CIO$ffi· dium borulUlum, ya que las esporas de esta es·
pecie na pueden germ.inar en alimentos can un pH mCenor a 4,5 y, por lo tanlo, na es necc:saria tener eo cuenta el concc:pta 12"0 (véase más adelante). De fonna similar, la separación de los alimentos :licidos y muy 'ados (PH < 4,0) se debe <1 que ninguna espora bacteriana puede germinar a pH inferiores a 4,0 y, por lo lanlO" se puede disminuir considerablemente la ioten· sidad dellratamienta térmico para conseguir la estabilidad microbiológica. La termorresistencia aproximada de los mi· croorganismos no esporu[ados se muestra en el cuadro 82. En este caso, adquieren imponancia las baclerias patógenas no esporuladas que han de eüminane en los tratamientos pasteriz.antcs.
• AUMENTOS POCO ÁOOO5 (PH,. t.S1 l . t..mo!IFiIoo {• .,..,...,.¡ 1. 1. Acidific ....".. 1 . ~~iSu.
1.2. "'IoorociOoo 90..-0'"
el. lIt.rmo~roIyric..... 1 3 P,od_u 5H1 CI. lligri~" .. , 2 MclÓ hlo , ¡.>pOte.) 2.1 . "" ... rcbocI. P"l'1r.foc~"O, CI. ,,:oor~_' No 347;
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AUMENtOS MUY i.ooos ¡pH < "1 ¡ . A pH < A r>O
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2. M..o¡,:Io.
2.1
r.rrnorr.oi.-c;a ~P;CA
Salmo.w& 'PP.
Etdt.ri--...io.., do toaobod¡', 'P9
2 2 T.r"-'.... ......aa ~~
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1.20
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sm..........'1.:I .....¡¡."b..-; l
,...:~ ,~,Wog.
l.' l·'
'MWOtftO
0. 1 0 ,1
8 .5. Valor F
Es un parámetro que se usa en la indu$lna conservera y puede definine como el (lempo que se req uiere, a una temperatura definida. para reduci r la po blación microbiana presen · te en un alimento huta un OIvel deseado Cada microo rganismo existente en el alimento tiene su propio valo r F y el valor F que habrli que aplicar al a.llmento será e l más elevado de los calculados Cuando el valor Fse refiere a 121 ·C se designa como Fo' El valor F se cal· cula , suponiendo que el calentamiento y el enfriam iento son instantáneos, a partir de la ex presiÓn:
F = D (log No - Iog N,)
(8.9)
donde, F = tiempo (min) requerido para lograr el grado de reducción de la población mlcrobnna hasta el nivel desudo
D = tiempo de reducción deCimal a la temo peratura de tratamiento. Na = número micial de rrucroorg:anismos_ N, = numero fina l al que se pretende llegar.
eL botulil1um elabora una poteOle neuro¡onna cuando se multiplica ee los alimentos. Como es una bactena anaerobia y en lu conservas el medio es anÓxico. el bOlulllwm puede crecer y producir la ¡OXIDa. Dada la necesidad de salvaguardar la salud del consumidor, siempre se su· pone, al eSferiliUlr un alimento de pH > 4,5, que e:uste una espora de el. bOlulil1um por envase y es necesario reducir su número a una espora viable por cada billón de envases (1011), es decir, que el rratamiento térmico ocasione 12 reducciones decimales; es lo que se conoce como conUplO 12D. Se sabe que el valor Fo mfnimo--para las conservas de alimentos de pH > 4,5 es 2,52; se ha cak:ulado a panir de la ecuación (8.9):
1.44
r.cnologio de los A]ime(l#OJ. PI Compotlet!/eJ de los o/jmanloJ y ptOOJOJ
Teniendo en cuent¡ que el valor 0m de las esporas de las cepu más termorr:si!t:ntes de eL botulinum es 0,21 mino Entonces,
Fo:lO 0,21 (lag I -lag 1O. L1) '" 2,52 min J:.sle e3 el tiempo mínimo que hay que apli. car para la fabricación de alimentos e3terihta· dos de pH > 4.5. Cuando se esterilizan ahmen· tOS a aun temperaturas habría q~ calcular el F equivalente teniendo en cuenta el valor t de CL borulmum, al que se asume un valor de 10 ·C. En aiimentos con un pH inferior a 4,5 no es neo ce!ario aplicar el concepto 120. El cálculo del valo r F de una conserva se va a ejemplaritar con un caso práctico: Se pretende fabricar sardinas enlatadas (pH 6,0) aderetadas con laurel y pimienta negra en envases de lOO g. Los análisis microbiológicos han revelado que los ingrediemes, en su con· junto, contienen 1 espora de B. suafothumo· phifUJl lOO g y tOO esporas de el. spofogtllcsltOO g. Los valores 0n¡ son, respectivamente, 4 ~lD Y loS mm y la estenlidad comercial se ha esta· blecido en 1I10~. Calcúlese el Fo' Hay que aplicar el concepto 120 por ser el pH > 4,5. Valor Fo para el. botu{Íflum '" 2,52 miDo Yalor Fo para B. steaforhtrmophdUJ
Fo • 4 (lag; 1 -log 1110') .. 16 mm
más aún si la transferencIa .:le caiot es ba/d, hasta alcantar la temperatur~ de régimen pro· 8ramada. Lo mismo puede (LeCUSe del enfria· miento. Puesto que para cualquier microorga· nismo pueden considerarse como letales todas ¡as temperatura! superiores a la máxima de crecimiento, los efectos del tra tamiento térmi· co comienzan cuando se $upt -a ese límite. Por ello, hay que tener en cuen.a también las distintas temperaturas por las que pasa el produc. to nasta alcanzar la de trab'lio e, igualment.:, dl.:rante el enfriamiento. En ,:1 caso de las bac· terias espoculadas, se considua ql.!e los ef.:ctOS letales manifiestos comienza!, cuando se llega a temperaturas de unos 90 ce. Es necesario, pues, determinar el decto letal del proceso completo; los métodO! má! {recuentes se basan en la construcción de curva.; de calentamien· to/enfriamiento, obtenidas Lepresentando las temperaturas por las que p3..!a el cenuo térmi· co del envase a lo largo del ~iempo y transfor· marias después en fraGciOOe3 de tiempo. Prute· nonnente, se calcula el efecto letal para cada fracci6n. El efecto letal del proceso completo se puede hallar mediante métodos gráficos o matemáticos. Como en la práctica, por las ra· zones que se explican en el slguieote apanado, no puede evaluarse el valor F para c:ida pani · da, 00 e3 oecesano extendel"Je más en este as· pecto. No obstante, se rerrute al lector a obras (Stumbo, 1973; tópez, 1987; Toledo, 1991) dcede e:."!.coottl.:i '.!!!.l de~ri¡x:ión detallada de 105 métodos aotenores.
Yalor Fa pata CI. spofogeflcs
Fa". 1,.5 (lag 100 -lag 1110") -= 9.0 min
8.6. Tratamientos térmicos aplicadas en la práctica
Ef valor Fo dI: ID COflStMla será de 16 min..
Todas las consideraciones hechu anterior· mente soo aplicables cuaodo los calentamien· tOS y enlnamientos son inst.t.ntáneos, lo que eD la práctica no es siempre posible; sólo lO! pro· cesas UHT $e aproximan a esta situación ideal En lu conserva!, procesadas en autoclaves, es imposibl::; la temperatura sube lentamente,
El carácter perecedero dr. los alimentos aC' bace posible que en la práctica, para cad¡ pro· ducto {o pata cada partida),1C bagan los análi· sis oportunos para detenninar la carga microbiaoa, identificar [os microorganiSmos presen· tes, aisla rlas, propagarlos y determinar sus parámetros termomicrobiológicos con el fiD de evaluar después, con precisLóD, el valor F en
CopiruJo 8: eotuervacioo por el colO(
caoa caso. Todas e"tas d~tenrrina.:i,Jne .. ::~~'a;¡ un tiempo demasiado largo, de tal forma que cuando se obtuvieran lo.. resultados el ¡Jimen tO se habría alterado inevita ble mente. Por ello, en la práctica, se aplican tratamientos t~rmicos normalrl.adO$ que se han calculado previamente teni:ndo en cuenta la carga mIcrobiana nor· mal que 105 dis tintos productos pueden presentar y la t eímorreSlSu~nc:l de unl serie de microorganismos que se han aislado, con mucha frecuencia, de conservas alteradu. Para los alimentos poco ácidos (pH > 4,5), como la came, leche, pescado y algunas hortalizas, es necesario tener presente la posible presencia de el. borulinl-lm r, por lo anta, se requiere aplicar el concepto 120. Consecuentem~nte , el valor Fa mínimo es de 2,52 minutos. Sin embargo, como el alimento puede con tener microorganismos esporulados más termorresi!tenle5 que el. batulillum, el tra tamiento ténnica puede ser suficiente desde el punto de vista de salud publica pero insuficiente para lograr ]a esterilidad comercial. Por ello, es necesario aumentar la rntensidad de l tratamiento. Los valores Fe que se aplican son. pues, superiores, del orden de 10-12 mrnutos, con lo que se consiguen reducciones de 7-8D respecto a las foro mas esporuladas del rrúcroorganismo (eL lpOrogener PA-)769, D 111 '" I.5 min) que se ha tomado habitualmente como modelo, siempre que el t'fod!lrIO procesado esté destinado a su CO!!le!'t:b. hz3.~. ::!! -paises de dima templado donde las tempet'1tuns emnles!lO ~Ien su· perar !os 30-32 Si la comercialización del alimento esterilizado va a se r en países. o zona5 ~oyáficas, de climas cálidos (temperaturas máxima! mperiores a 35-40 .C), es necesario considerar la p05lble presencia de bacterias esporuladas lennólilas, cuya termonesisteDcia t.'I no tablemente superior a la de eL IporogeneJ , el. ootulinum y otru bacterias me5ófilas. Es el caso de Baciflw 11~aro fltermophi1u.s y Thermaanatrobackrium (CloJfridium) drtrmolaccharO/'rlcum (Dm'" 4-5 mio) que no se multiplican por debajo de los 33-36 En estas circunstancias, se aplican valores Fo de l4-20 min,
oc.
-c.
lA5
-i'..!: cCJSio!ian reducc:!ones de t.-5D de las es· paras de dichos microorganismos que se toman como modelo. En al imentos ácidos (p H 4,O-4,5), como concentrados de toma te, pimientos. alimentos con salsa de lomate u otras, no enste riesgo sanitario alguno respeclo a la producción de toxina ~luHniGa. Por Otro lado, las bacterias esporuladas que pueden multiplicarse a estos valotes del pH son más termolábiles que las ameno res, po r lo que los tra tamie ntos termicos que se utilizan son más suaves y se ajustan generalmente para reducir a un nJVel aceptable el desarrollo de Bacillw coagu{afl.S ( Om aprox. 0,07), 10 que permite, al tiempo, evitar la al teración por otras bacterias esporuladas mesófilas (por ejemplo , BaClllus maCUflIIJ o GOlfrl' dium tJuryn'cum ) que son más termolábiles que la anterior. Es suficiente. en e5ta! circunstancias , un valor Fo de 0,7 mino Los alimen tos muy ácidos, de pH < 4,0, (frutas en gene ral, alimentos escabechados, etc.) no pueden sufrir otras alteraciones que [as derivadas de! crecimiento de mohos y levad uras. dado que ninguna bactena esporulada , ni la gran mayoria de las vegetativas. pueden multiplicane a estos valores del pH. Este tipo de alimentos no necesi ta tratamientos t ~rmicos superiore5 a los 100 ·C y pueden, por lo tan to, fabricarse sin la necesidad de presión. Para tales productos no es convemente utilizar la temperatura de 121 ·C como refe rencia, por lo que los valores D de los microorganismos y los F se ofrecen a temperaturas mucbo más bajas (6585 -C). Se suelen aplicar tralamientos de F~ de 1-2 mino No o bstante, si se sospecba la presencia de B1S1ochlamyl fu/ya debe aumentane la intensidad del tratamieoto para evitar la alteración pcY. C$te moho,. cuyas ascosporas son muy termorreslstentes; se ha seda1ado incluso que para la destrucción de este moho se requiere un valor Ft1J"C de 2 mino Los valores Fo ofrecidos anteriormente sirveo como referencia para conocer los tratamientos t~nnicos necesarios para conseguir 1esterilización comerCial en los distintos alimeo-
tos. Sin embargo, DO siempre se utiliza en la práctiu. la temperaru:a de 121 ·C. Para conseguir dicho grado de esterilidad, oscilan entre 115 y ISO oC; lu mú bajas se emplean para la fabricación de alimentos apertiudos (conser· vas) y las mú aLtas para alimentos \Cquidos o semilfluidos en flujo continuo seguidos de en' vasado uéptlco. La tra.nsformación del Fa en el valor F a otra ternper,uur.1 se logra h¡ctendo uso del valor t, aphcando Ja ecuación (8.8) don· de el valor D K. sustituye por el F, El valor;: de las baC(enas esporuladas suele sl[Uane entre 7 '! 12 ·C La mayoría de los autores opinaa que, de forma general, puede utilizarse un t ~ 10 oc.
8.7 . Tipos de tratam ientos termicos Los tipos de tratamientos térmicos que ac· tualmente se apliCiln a los alimentos correspon· den a tres modalidades: esterilización. puteri· uo.ón. )' termiuciOn.
87. /. Eslf)fJ{izoción Con la esterihuci6n se pretende destruir 10$ microorganismos más ¡ermorresistentu pI.' ca conK.guir la esterilidad comercial. El objet l' va de este tipo de tratamiento está constituido. pues, por las bacterias espoculadas La estenlt· uCl60 se preocu?a mucho menos de las enzi· mas auloliticas, ya que éstas son mucho mlls termolábLles que las espoas microbianas. No obstante. en los altmentos pueden UIStlr ciertas enzimas de origen microbiano, las produci· das por bacterias psicrotrofas. que son mils termOrreSISlen!es que las esporas y no K. desactivan totalmente ni siquiera durante [os procesos UHT aplicados a los alimentos, especlficamen. le a la leche y ciertol productos [jcleos. Es un aspecto que se tratará exlensamente en el capí· tulo dedicado al procesado de la leche (volumen JI. capítulo 3). la uten[itaci6n puede realizarse de dos formas; en envases previamente Ilenm O calen-
tanda el alimento sin eDvasar (UHT) )' e nvasa.rlo deJputs aséptlcamente.
A) EsurilizaCI6n de. allm.tnfOS envasados
Los envISCs que 5C utilizan para la esteri\¡· tacl6n de alimentos mediante esta modalidad son lallS, botellas de ..,dno o bolsas de plástiCO lermocslable. CualqUiera que sea el tipo de envase utihudo, el tratamiento térmico \'a prece· dldo del Uenado, la evacuación y el cierre. Los envases se sumIDistran comercialmente limpiOS, aunque esto no g.uantiu que puedan ser utilizados de rnmedlato. Por eUo, es necesario asegurar su limpieza antes de llenarlos. Los en vases metalicos y de vid rio se lavlO con duchas de agua caliente o con cepitlos ¡OtaIOnos; luego se transporta n invertidos hasta la secci~n de llenado para evitar [a llegada de microorganismos a su interior. Las mllquinas lIenadoras varían 5Cgún el producto sea un HqUldo, una pasta o un sóhdo En cualquier caso. deben asegurar un llenado preciso y deben ser ve rsátiles para poder uulizar envaK.S de diferentes tama nos y permitir que puedan mantenerse en condiciones higléOLeas adecuadas Cu ando un envasc cerrado se calienta, su contenido se expande. aumenta la presión de vapor de asua '! [os lascs disueltos escapan C:d producto. Se produce una presi6n interna que, en parte. se eqUilibra con la reslslencia del envase, aunque si es excesh·a puede provocar la rotura del envase o [a aparlci6n de fugas. Para eVitar esto, K. de,a una porcl6n del envase vacía sobre el alimento; es el e.spaclo de cabaa. Este espacio no sólo Sirve para la expansión de líquidos y gases sino que también facilita la transmisión de calor durante la agilaci6n del producto en el au toclave. La presión de vapor en el espacio de cabeza viene determinada por la temperatura que alcanza el producto pero puede reduclcsc mediante la evacuación del en· YaK. que, ademis. ocasiona una disminución de la tenstón de oxigeno, con [o que K. eVlla la LO'
:opiMo 8: ConservociÓt! por .1 caIotteracción de este gas cOn 105 envases metálicos y las posibles oxidaciones de componentes de los alimentos, como lipidos ¡nsaturados y ciertas vitaminas. Existen diversos métodos para llevar a cabo la eucuación del envase: Evacuación meclh:ica; conSiste en cerrar el env~, una vez lleno, en frio bajo el vado producido mecánicamente. 2 Llenado en caliente a lemperaw.ras próxi· mas al puntO de ebulliciÓn; se genera asi una presión de vapor cercana a 100 kPa en el espacio de caben de (arma que si se procede rápidamente al cierre del en· vase, se produce un vacío adecuado al enfriarse. Este método extrae eficazmen· te los gases atrapados en el alimento proporcionando, además, un precalenta· miento muy utíl para acortar el tiempo de procesado. 3. EVQcuoclón en coliente; conSiste en transo portar 105 envases abiertos a través de una baño de agua o cámara de vapor donde se calIenta el produclo hasta unos SO· 90 ·C Los envases evacuados se cIerran después. al salir de las camaras cahenles. En este método, el tiempo de evacuación puede ser excesivamente largo en el caso de alimentos que se calientan por conducción. 4. Cierre por corrienu de lIopor; se hace pasar un chorro de vapor por la pane superior del envase ya Heno. Después, se coloca aUlom;hicamente la tapa, tamo bién calentada con vapor, y el envase se cierra. Como no se eliminan [os gases atrapados en el producto. el cierre debe ir precedido de un calentamiento del pro· ducto.
El cierre de los envases metálicos suele ha · cerse con doble costura, la primera se logra poniendo el envase en contacto con un rodillo mediante el q!I~ se encaja la lata,! la ta~adera . sobresaliendo un reborde de ésta que se ajusta
147
con atto rodillo distir.to. Los eovases de vidrio se cierran con tapas de rosca., corona, cuarto de vuelta, presión, etc. El método mis frecuente para el calenta' miento de altmento~ en envases cer rados es medIante la aplicación de \'apor de agua saturado. Como las temperaturas que se utihzan para la esterilización de [os alimentos poco áCIdos y ácidos son 1uperiores a 100 oC (llO12; ·Cl. es necesatlo emplear SIS!emas a sobre· presión haCIendo uso de autoclaves. La aplicación del calo r debe hacerse lentamente para evitar cambIOS t!rmicos bruscos en e[ alimento y deformaciones o rOturas de los envases. Cuando la temperatura del ahmento se acerca a la del autoclave, la presi6n interna del envase se equilibra parcialmente con la presión del vapor que rodea a 105 envases. No obstante, en la fase de calentamienlo, el alime nto está a una ¡>resión inferior que la del autoclave. por lo que los envases están siendo comprimidos. mientras que durante el enfriamiento ocurre lo contrario. Por ello. es necesario reducir al mínimo estas diferencias de presiones, 10 que se consigue regulando la velocidad del calenta· miento) enfriamiento y, también, aplicando aire a presión que equilibra la presión interna del envase durante el enfriamiento. Para que el calentamiento del alimento sea homogéneo. los autoclaves pueden estar proVIstos de sistemas de agi:a::ón (giro, \'olt~o O \'aivén) que faciIm.n el movimIento del líquido de cobertu ra creándose cornentes de convección. Los cstulflllldores discominuos son autoclaves verticales (carga par la parte superior) u horizontales (carga frontal) que se cargan y descargan cada vez que se procesa un IOle ; pueden albergar un numero diferente de envases dependiendo de! tamaño del autoclave . El consumo de agua es elevado en comparación con el de los autoclaves continuos (hidrostáticas). En la figura 8.4 se muest ra el esquema de un autoclave dIscontinuo vertical. Cuando se ha completado la carga, se cierra la tapa del autoclave, que se ajusta después con cIerres de
1.48
recnolog;o de lo. ,\/imentos. (ti COfflpon$n/$s de los alimentoJ y prCX'JOJ
-
FlC u~
8.4. E.qllemo d. un autoclovlI dIScontinuo v.meol.
rosca; a continuación. se pone en funcionamIento. si dispone , el.listema de agitación y se comio:nza a inyectar vapor quo: va calentando~e¡ producto al tiempo que se eliminan las bolsas de ait
tema está parado, las columnas de agua de los ramales laterales están equilibradas. a la misma ahura que la contenida en la zona central; se pone en marcha inyectando vapor de agua en la zona central que va empujando h:!cia abajo el agua contenida en dicba zona con el consi· guiente desplazamiento hacia arriba de! agua de los ramales laterales. En [a zona central va aumentando la presión y la temperatura hasta los q!ores prog•.1rtl3do$ y. a! tier.:pc. $e cre3 uo yadien!e de temperatura en el agua de los ramales. Median!e una polea sin fin con sopor· tes adecuado! para coiocar los envases \lenos y cerrados se transporta el producto desde el lugar de carga. se va calentando progresivamente por el ramal de la izquierda hasta entrar ea la zona central donde se esteriliza: el tiempo que tarde en recorrer la zona de vapor es el tiempo del procesado. Despues, los envases pasan al ramal de la derecha donde su temperatura va descendiendo progresivamente sufriendo un enfriamiento adicional mediante duchas y paso posterior por UD bal'io de agua, llegando al final de! circuito donde se descarga.
Capitulo B COflJervoción po• .1 color
S~i.6n ~ ,
149
Sección de
precalen!arnan!o
enlnllTlento
•
-
Ramal de a~m4!ntaaón
CIr'ila de
envases
'07-
"8 'C
'"
,nvases
1,
jBaI'lo di II!no;¡eraClÓnj
FGI.IAA 8.5. Esllnlizoc!cY hidIQSCCIICO.
8) Estuilización de alimemo! Jin envasar
Este método se utiliza. para alimen[Os líquidos y se mih'quidos (leche, sopas, nala, pur~s. ele.). Consiste en un calentamiento muy rápido (casi inuan táneo) lasu ·tanDeratutas muv 21 tas (135- 150 oC) a las que se mantiene durante un tiempo muy corto (2-5 segundos). Se denominan procesos UHT (u.ltra high temptrature) y existen dos modalidades: 1. Procesos iod¡rectos en los que el calenta-
miento se realiza mediante cambiadores de calor (tubulares o de plat.!): no e;~iste,
por lo tanto, contacto entre el fluido calefactOr (vapor de agua) y el alimen to. 2. Procesos directos, que consisten en la IU· yección de vapor de ag'Ja en el alirneOlo (método de inyección) o en la inyección del alimeolo en vapor.:le "SU (método de difusión). En este tipo de procesos hay contacto intimo entre el agente calefactor y el alime nto, siendo el ca/entamiento práctic.a.mente instantáneo, pasando desde unos 85 oC a 140·C en décimas de segundo. En este método siempre se condensa una porción de! vapor provocando una
el producto pasa por los cambiadores-regeneradores (5) y (3) Y posterionnente se lleva a la temperatura (10-15 .q del envaSado mptico mediante el cambIador (7). La planta, una vez utilizada, se esteriliza aUlomáticamente coo vapor (o agua presurizada a 145-155 .C)La figura 8_7 muestra un diagrama de flUIO simplificado de un proceso UHT directo El producto es impulsado desde el tanque de almacenamiento (1) por la bomba (2) al cambiador-regenerador (3) donde comienza el calentarrue¡¡to y luego se lleva hasta unos 80 oC en el cambiador (4). De aqu(. se bombea al inyector de vapor (5) a una presión de 800-1.000 kPa. El vapor transfiere su calor latente al producto al· cantando de Inmediato la temperatura de esterilización (140-150 oC) a la que permanece durante un tiempo muy cono (2-4 segundos) en el tubo de mantenimiento. La temperatura se controla con el ¡ermómeuo TI donde una válvula de desviación de flujo conduce el producto al cambiador (9) si es inferior a la establecida. Si es correcta. el producto se enfría hasta unos 75 ·C por expansión en la cámara de va-
dilución de! producto. de alrededor del 10%, que después hay que corregir mediante la aplicación de vacío.
En la figura 8.6 se muestra un diagrama simplificado de un proceso UHT indirecto. El pr:)dueto procedente del tanque de almacenamiento (1) es impulsado por una bomba (2) hasta la sección de regeneraCIón (j) donde comienza a calentarse mediante un cambiador de calor con la ener¡ía que aun mantiene el producto procesado_ El calentamiento hasta unos 80-85 ·C se completa con el cambiador (4) de baja presión y en el cambiador-regenerador (5), puando luego a un cambiador (6) donde se produce la esterilización del producto. Un sistema de suminIStro de vapor que opera neumáticamente 1 300-400 kPa mantiene la temperarura (135 -150 oC) durante un COrto tiempo (24 segundos). Si la temperatura cae por debajo del valor programado, la válvula de desVJ.3c¡ón de flujo (T) conduce el producto al tanque de almacenamiento (1) preVJ.O enfriamiento en el cambiador (8). Si la temperatura del tratamiento ha sido cortecta,
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0) riGUV. 8.6. Diagrama de Auja del procua UHT indirecto.
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• r KllJl;A 8.7. Diagrama d,lIujo de·un procuo UHT direoo_
cfo (6) donde se elimIna tambi~n el vapor de agua que se ha condensado. El vapor de esta cámara se utiliza para el cambiador-re!enera· dar (), controlándose su temperatura en el re· gistro (T-2). El producto, una vez abandona la sección (6), es impulsado con la bomba (7) hasta un cambiador est~ ri l (8), donde se enlrfa hasta la temperatura del envasado aséptico. El curso t~rmico de ambos tratamientos se representa en la figura 8.8; puede considerarse que el calentamiento desde los SO ·C hasta la temperatura de tratamiento es, en el caso de! UHT dI recIO, instantáneo mientras que la transferencia de calor a trav~s de los cambiadores (UHT indirecto), aunque rápida, no llega a la del urrr directo. Las ventajas e inconvenientes de uno y otro tratamiento en relación con la calidad sensorial, la retención de nutrie ntes yel progreso de ciertaS reacciones se describirá detalladamente pa ra la leche UHT en el capítulo correspondIente (volumen !l, capítulo j) La es¡uiJiza=ió:l do! ollimentos mcdia:llc los procesos UHT requiere , obviamente, un cnva·
SOldo aséptico. Se han registrado diversos m~to dos (Itlrapack, l ll.pOock, plI.rePOock, stlfpack, en botellas. etc.) pero el más dIfu ndido en EUiOpa es el ItlTabrick (figura 8.9) . Un rollo (l) de cartón la minado (polietileno/ca rtón/polietile. nolaluminiolpolietileno) se esteriliza a 80 ·C en un ba¡'¡o de peróxido de hidrógeno al 17% (2) durante 8-10 segundos, eliminándose los restos del peróxido de hidrógeno con una corrie nte de aire esténl por filtración. Después. el rollo entra en una cámara as~ptica, esterilizada con aire caliente y filtrado. A esta cámara llega la tu bena (4) procedente del estenlizador UHT y en ella se conforma el envase, se dispensa el volumen adecuado de alimento, se termoselJa y luego $e corta con guillotinas transversales (5).
8.7.2. PClleflzoción La pasterizaCión pretende destruir los mi· croorganismos pa tógenos no esporulados y re· ducir significativamen te la microbiota banal
52
T«IlOJOf}ío de /001A!imenlO •. (l) Componen,.. de /O. ofimenlol y ptoceJOs
ISO
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T...-npo (~I\OOII)
FIGuAA 8.8. C~no tef-mico d.lcn
prOC'IOS
para ofrecer al consumidor un producto seguro con una vida útil aceptable para que sea consu· mido en un cono plazo. A veces, puede conse· guirse la C5tabtlidad microbIológica, como es el caso del vinagre, en que se pretende destruir ta microbiota más termorresistente (mohos y le· vaduras) que puede desarrollane al pH lan bajo del producto. Existen dos modalidades de pasterización: a) LTH (low lemperanm: holding) o paste · rizaci6n baja; es un sIstema discontinuo adecuado cuando se pretende pastenzar volúmenes pequedos (por ejemplo, 100500 litros). Se utilizan tiempos largos (aproximadamente JO minutos) y temo peraturas bajas (62-68 ·C) y se Ueva a ca· bo eo tanques de doble pared provistos de un ag.tlador y termómetro. Por la doble pared circula el fluido calefactor y el refrigerante.
UHT directo (superior! • ind ir.cto (iníe rior).
b) HTST (high (tmperQtllrt, lh on rime) o pastentactóa alta; ene m~todo se realiza en sistemas de flujo continuo con cambiadOlcs de calor (tubulares o de placas). Se utUtzan temperaturas elevadas (72-85 eC) y tiempos conru (1S-20 segundos). Ee. ta cgu::a S.lO se ml!estra ua esquema -simpliccado de este método que fuaciona, como puede obse rvarse . de forma similar a los prausos UHT Lndirectos. El prooucto se precal.ienta en el cambiadorregenerador ( l) y pasa después al cambiador (2) donde se pasteriza y, una vez ya prccesado, pasa de nuevo por el cambiador (1) y Uega al cambiador (3) donde se refrigera para ser después eovasado. Una válvula de desviación de flujo (no representada ea ta figura) cooduce el producto al tanque de almacenamiento si no ha a..Icaozado la temperatura programada.
Capí/ulo 8 : ConJef'YOCi6n por.1 color
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o FIGURA 8.9. Esquemc del li1lemo de ."\tOsedo o~e~ ,leo y estruct\JfO típico de
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f!GUlA 8. 10. Oiogramo de Auio
d. un pasl"¡wdor.
153
Como siempre sobrevivir'n al tratamiento un número determinado de microorganismos, no es necesario un envasado aséptico que encarecería inneceuriamente el producto tinal; basta con que sea higi~nico. Los envases utilizados pueden ser botellas de vidrio o pl45tico, bolsas de pUstico, cartones, etc.
8.7.3. Tcrmizoóim
Es un proceso en flujo continuo, similar a la pasterización HTST pero diñere en el binomio tlempo-temperatura; es un tratamiento menos intenso (10-15 segundos: 60-65 oC). Actualmente, se aplica a la leche cruda (vol ume n 1I, capítulo 3) con el objetivo de mantener baja la tasa de bacterias psicrotrofu, muy tennolábiles. No equivale a la pasterización de la leche, ya que este tratam ien to no es suficiente para
Bibliografi a FRAZrER. W. C. y WESTIiOFF, D. C. (1993): Mi· crobiologÚJ dt tos olimtnlOl. 4' ed. Acribll. Ü'
¡lgOU.. lAY. J. M. (1993): M~robiologi4 mod~rfUl dt tOl ¡rIiIfun/os. 3' ed. Acribil. Zaugou. J ....Y, 1. M. (t996): Modurr food m'crob,%gr. Sth ed. Ch¡pman &. Hlll Nue ... ¡ York. LÓPEZ. A. (1987): A. comp lete course lfI canmrrg and ,t/cttd proctUtI Tbe clnninl lude Ine. Bllumore. STUMBO, C. R (t973): Thtrrrwbllcteriology /1"1 food p,oceuing Acaderoic Preu. Londres. TOLEDO, R T. (1991): FlJ.ndomtnlDIs ollood pro· cess tnglllltnto,. Van Noslrlod Reinhold. Nuev.
York.
RESUMEN
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l. lo deJlruc;cióo de los miCfOOtgOl\ismos por ,1 calor sigu' 1.11'1 eurlO log'::lril"mica, lo que i"¿ico que, o uno temperatura dado, .n tiempos iguo· I.s le destruyen porcentajes identieol d. microorganismos. 2. lo lermOO.struceión microbionCl viene definida por los porómelrOJ O {I empo d. reduccióo dedo moQ y l (grados centigrodos que es ne<:e)Qrio oum.nlar disrrlOnll" lo temperaturo poro que el valor O, respectivom.nte, diminuyD Ollmente lO veces) .
°
destruir todos los microorganismos patógenos no esporulados.
°
J . El conc.plo /20 implico que en la esterilizoción de olim.ntos de pH superior o 4,5 es necesorio suponer lo prelencic de un.o esporo de CloJ'r~ ,jium botu/inum por envos. y que Iros el 11"010miento htrmico ,óIo puede permoMCer viobl, uno esporo por IOu envases. 4. El volor F .s el tiempo que le r.-qui.re, o uno lemperoturo definido, poro reducir lo pobloóón
m'Cfobion.o presente .n un alimento hosto un nivel deseado. Cuendo .1 vclor F se r.liere o 121 'C se designo como Fe' 5 . le eslerilizodón pretende destruir los microorgo. n;smos más lefmorresisr.ntel (boCleri'::ls espol"'JIo.. dos] poro alcanzor lo es teri lidad comercial. los olimentol pueden esterilizarse ya enYQ)Qdos (en autoclave o esterilizadores hidrost6ticos] o , in enYQlQf (tratamientos UHf ¿¡redo e if!di,.CfO) seguido d. envoiOdo os.eptico. 6. lo posrerizociOn pretende destruir 101 microorganismos patógenos no "pot\Jlodol y/o reducir si9ni~cotivome"l. ra microbi% bono!. lOI modol¡dodes de este rrolomiento Ion pos/erizaeiótl bajo (lTH) y alto {HfST}. 7. lo lermizodón es un proce)Q en Auio eO!"1tinuo q .... octualmente ,óIo se aplico o lo leehe y pr. t'lIde monlener boja la toiO de baCTerios psicro'tofo, Grc"fI nesclivos
9 UTILIZACiÓN DE RADIACIONES ELECTROMAG N ÉTICAS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. IRRADIACiÓN DE ALIMENTOS
kle npítuJo te OC'UjN de bs ¡pliadones de ~t ,¡di.llciont1 eltC1rom
156
recnologil1 de IoJ Alimente». {II CClmponentl" de los olimen/oJ y proc'JOI
9,1, Radiaciones elecTromagneticos en la Industria Alimentaria
La rndustria A limeOlaria recurre con muy dislintos fines al empleo de radiaciones electromagnéticas. Todas ellas s~ transmiten en forma de onda, sin necesidad de un soporte material y a una velocidad de 3 x lQll ms· l . Sin embargo, de pendiendo de la energia asociada, de la longitud de onda y de la frecuencia de emisión el eíccro derivado de su interacción con un determinado material es muy distinto. En TecnologCa de los Alimentos se impone la diferenciación entre t•.lt:tm:entos con rc.diacior:es no ionilan/es y aquellos con radiaciorus IOnitan· ¡es. En el primer caso, se recurre al empleo de d isti ntas formas de ene rgCa eleclromagnética. El espectro utiliz.ado incluye la radiación infrarroja y microooda, así como la energía eléctrica . Estas radiaciones, con distinto poder de~pe. nelració n, se utIlizan para generar calor por diferente s mecanismos y son la base de ... arios sistemas de calentamiento (infrarrojo, micro ondas, dieUctrico y 6hmico). Los tratamientos con radiaciones ionizantes tienen un carácter claramente dis ti n to, pu esto que en este caso se pietende prolongar la vida útil de los alimentos sio que tenga lugar un incremento apreciable de su tem peratura . En ellos, como su propIo nombre indica , se recurre al empleo de rad iacione s elecuomagnéricas con eoergia suficient~ como para ionizar 10$ átomos y{o moléculas con las que interacci onan. E :;. la irradiaci6r. dt alimenTOS se utilizan las ondas electromagnc ticas de frecuen cia limitada de esta naturale· za y los haces de electrones de baja energia (S 10 MeV). La diversidad en la utiliz.ación de las radiaciones elect romagnéticas den Va. por lo tanto, de la dispersión de sus efectos. La figura 9.1 re· coge las caracteristicas (longitud de onda, frecuencia y energía asociada) y las pnncipales aplicaciones en la Industria Alimentaria del espectro electromagnético.
9 _2 _Radiaciones eiectromagnelicas no ionizantes
E l calentamiento por infratrojos es una transmisión de calor por radiación en la cual, y como consecuencia de su temperatura, la materia emite radiaciones cuya longitud de onda e intensidad depend~n de la naturaleza del cuerpo radiante. La calefacción por microondas. al igual que la dieh!:ctrica y la óhmica, no requiere de la existencia de un gradiente térmico o de superficies calientes; se rra ta de una forma de geneelr calor derivada de la distorsión creada en los componentes ce los alimeMos por la incidencia de un campo eléctrico alte rno.
9.2. l. Radiacion infrarro¡"o La radiaci6n infrarroja (figura 9.1) produce una cierta vibración en los enlaces intra- e in-
tennoleculares de los componentes de los alimentos que se traduce en un incremento de la temperatura. La capacidad de penetración de esta radiación es escasa, por lo tanto, su efecto se limita a la superficie mientras que el resto del alimento se caJient3. por coeducción O por convección. Deotro de! espectro infrarrojo se distinguen el infrarrojo cercano (:-rIR, Near-tnfrareá) con longitudes de onda co.mprendidas entre 0,78 y 1,4 ¡lm, el infrarrojo m edio (MIR, mid-IR) il1cluido en el in tervalo 1,4-3 IJ.m y el infrarrOjO ltjano (FIR.[cr·ir.¡''r3.m!) e :H~e 3 y 1.000 ¡JiT!.
A) Fundamenros y equipos
Todos los cuerpos emiten calor por radiación, aunque en esta forma de transmisi6n de calor se distingue un cuerpo emisor, que libera energía radiante en mayor pro po rción, y un cuerpo que la absorbe en mayor cantidad o recepTor. El calentamiento por infrarrojo es una transmisión de calor por radiaci6n, donde los
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cuerpos emite n eoergIa ea una cantidad que depeade de su propia temperarura. Se denomioa cuupo lI egro o rodiador perfecto a aquel que emite la máxima clatidad de radiación a UDa temperatura dada. Las superficies rules, los calentadores radiantes as! como los a.limeo-
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IrodlJwio A1imenlOno.
lOS 00 roo radiadores perfectos. E.stos emiten una fracci6n constante de la radiación de UD aJerpo negro. A estos cuerpos se les denomina CUerpos truu y se babIa de tmisividod (t) P'ra referine a su capacidad para emitir energfa radiante, ajustSndl»t a la Ley de Stdan-Bola-
ma!!.!!., cuya upresióQ matem.ttica es la si· ¡cieote Q=EACr
(9.1 )
donde Q (J S·I) representa [a \lelocidad de emi· sión calórica. T es la temperatura absoluta [K y grados Rankine (R) ea e[ sistetnJ. británlcol. a es la eQnstante de Stefao·Solwnann (5,7 x lo--' Js·lm·1K""), A es el área superficial y [ es la emlsi\lldad específica del cucrpo . cuyo \lalor numtnto \laria entre O y l. Por unto, la canti· dad de energía radia¡¡t: ,;ansfenda entre dos supernCles depende de sus temperaturas. de su dIstribución geométrica y de sus errusividades. De forma similar. un cuerpo gm absorbe sólo una fraccIón de la energía absorbida por un cuerpo negro, cantidad que corresponde a su absofn.."dad o crxficiUlIt dI! ablorcid" (a). En estos cuerpos (l es numéricamente igual a E. u rt{ltcri..,¡dad representa la fricción de radIa· ción IIIcldellle que no es absorbida . por Jo tln· 10 seri Igual a (1 - a) . Los cuerpos negros abo sorben (oda la energía que Incide sobre ell05 sin n:OeJar nada. Las emlSi\lidades varian con la temperatura. Algunas sustancias como metales. óxidos metj· licos )" cIertos gases y \lapo res compuestos por moléculas polares (vapor de agua, dióxido de carbono) son emisores selecuvos. muestran una distribución irregular de intensidad radian· te )' sus emisividades \lanan a lo llrgo del es· pectro infrarrojo . Dado que la emiSI\lldad de una sustancia es igual a su absortividad, cUII· qUler sustancIa que reneja mucha radiación emitlr.i muy poca. Por tan 10, si una sustancia es ~rfcctamenle transparente y no absorbe Ol re· neja radiación. no la irradia (E = O), Esta con· ducta se presenta en ciertos gases eQmo el hl· drógeno, oxfgeno y nitrógeno _ Las superficies negras mates tIenen una conducta similar a un cuerpo negro y en la ma· yori.¡ de los casos puede asumirse que su emisi· vidad es igual a 1. u emisi\lidad a lem~ratu· ras bajas o moderadas de las superficies blan· cas (papel. metales pintados o madera) y de
algunos alimentos oscila alrededor de 0,9; ea las superfiCies metilicas sin pulir \larían entre 0,7 y 0,25, miet.tras que en las metálicas pulidas esig
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La longitud de onda de la rad iación in · frarroJa se halla determinada por la temperatu· ra de la fuente de radIaCIón. Cuanto más elevada es ésta. mb corta es la lonJltud de onda de la radiación y mayor su capacidad de penetra· ción, La canudad neta de energía radiante transferida a un alimento equivale a la diferen · Cla entre la cantidad absorbida y la emitida'
donde TI' corresponde a la temperatura del emisor y T l ' a la temperatura del receptor La energra radiante se transforma en calor sólo por absorción; de acuerdo con la ley de Beer, el proceso puede describirse por la siguiente expresión malem.iuca: (9.3)
:iÓll de rod;odOfl.~ .JectrOl7lognéticoJ
en la que I es la cantidad de radiació;:¡ ttazISmiud. a l. profundidad r. lo es la internidad de radiaeón incidente y a es el coeficiente de absorción_ Los equipos industriales emplean radiadores en los que la absorci6n van'a desde cero (o: -JO O) a cierta longitud de onda, hasta la absorción completa (o: - f 1) a otras longitudes de onda Para obtener la máxima absorción se requiere producir un espectro estrecho e mtenso del mismo nivel que las bandas de absorción del material que ~ quiere calentu. En el u· le:ltamiento de alimentos s610 tienen impor. tancia pr.ictica longitudes de onda de hasta unos 50 J.lm Tamo el agua como los Sistemas acuosos absorben mejor a longitudes de onda próximas a I ~m. Aunque la transmisión de calor por radIa· ción puede ser sigmficativa cuando las dlferen· cias de ICmpenll1ura son peque/hu, como ocurre en los a[maceoes frigoríficos, en general sólo es imponante cuando la diferencia de temperatura es elnada. De ena forma. este tipo de transmisión de calor predomina en los hornos de panaderfa y en los desecadores radianlCs. El calentamiento infrarrOJO de los alimentos se re· abta mediante bancadas de calentadores radiantes que pueden ser alimentados con corn-
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peratura media y los de temperatura e levada tuados en tubos de s¡llce o melal que alcanun temperaturas comprendidas entre los 500 y 1000 'C y generan .lrededor de 15 kWm~:. Los radiadores de alt. temperatura consisten en l.impuu con fiI.mentos de tungsteno fila· mento5 ~Hct=gidol por tubos de cuan.o que operan a uoos 2.5OO·C con una potencia de 10 a 65 kWm- l . En esus condiciones, la mayor parte de la energia es irradiada en el infrarrOjO con un intervalo de longitud de onda de 0.75 a 350 ~m. En el cuadro 9.2 se recogen las carac· tenstlca5 de la radiación Infrarroja emilida por dlstLntas fuentes. Estos dispositivos son la base de la mayoria de los hornos utilizados para diversos fines en tr [ndusma Aliment.ria&.. )'a sean de funcionamiento discontinuo o continuo (hornos routonos, de raíl, túnel o bandejas en ciclo multiple) El calentamiento de los a[imentos puede ser IndLrecto o directo. En el prLmero se utiliz.an gases de combustión calientes c energía ell!ctrlca para calenfar las paredes de hornos disconti·
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;¡l;OS o pua c.a.lei",(¡¡r r¡di.dores .:~¡..x.acl;)J e¡;cima o debajo de la cinta de cocción de hornos continuos. E[ calentamiento direC:IO con~enciG nal se lleva a cabo colocando mecheros de ¡as sucesivos encima y debajo de la zona de proce· sado. En ambos casos, se presenta una combInación de transmisión de calor por convección (del aire circulanle), radIación (desde los dispomivos radi!n!~1 y paredes) y por conducción (a través de la bandeja donde se ubican 105 alimenlos),
B) Efecfo en 10J ailmenloJ y aplkacidn en fa IndllJfrla Alimtnlaria
La radiación infrarroja, como otras formas de transmisión de calor, puede utilizarse para extender la Vida útIl de los ahmentos, destruyendo enzimas y microorganismos y reduciendo, eD Cierto grado. la actividad de agua de ha mismos. Sin embargo, esla tonna de caltnlalT'.ienlo pcnnlte, ademú, modificar las caracterbtica.s organoléptica.s de los ahmenlOS, con po.sibl!idad de mejorar su palatabilidad y de crear distintos sabores, atomu y texluru La absorción en infrarrOjO se caracteriza por su poca ~nelración, por lo que produce un calentamiento rápido de la su~rfi.cie de los alimeDtos. La transmisión de calor hacia el centro del alimento se produce por conducción Sien· do. por lo lanlO. un proceso leOlO. Estas condiciones conducen a la evaporación del agua de la capa extema y, en consecuencia, el descenso de la humedad relativa en !!!1S C~~l en grao diente de presión de vapor que ravorec:e el pa· so del agua desde el interior del alimento haSta su superficie. La velocidad de evaporación de · pende de lu c:aracteristicas del alimento trata· do y de la velocidad de calentamiento. Si el proceso se realiza a presión atmosférica y la iUperficie se mantiene saturada de humedad, la temperatura apenas supera los 100 ·C. Cuando la velocidad a la que el agua se e!unina de la superficie supera a la de emigración de ésta desde el interior del ahmenlo, el frente de eva-
p,); • .:ión pio:.mdiu, la s'-iperfic;c ,c. dcsec:a y se sobrecalienta de forma que la t!mperatura acaba igualándose con la del aire que le rodea. En la superficie aparece una coneEa por coagulación, degradación y pirohsis parcial de las proteínas y en el caso de los cerea),:s y derivados, por ge[atinización, deshidratación y cambiOS en [a texlura granular del almidón. La obturación rápida de 11 est:uclt:ra externa confie· re, a esta zona, un cadcter imperneable que penrute retener el agua y [u sustancias volátiles haciendo que [os alimentos resulten más ju. gosos y aromállcos Eo algunos CUUS, es neceo sano retrasar la deshidrataCión de , 3 capa superficia[, lo que puede lograrse combinando el calentamiento en [a fue iniCIal con 1,1 inyección de vapor de agua. Este procedimiento se utitiZ3 en 105 hornos de panadería, para cor.segui r que la corteza permanezc:a elástica durante más ¡iempo y que la mua se esponje ade,;uadamen· te. Durante elllmacenanuento,"se produce una mIgración del agua en el allmeolO ..¡ue puede provocar el reblandecimiento de Ii! corteza, con la consiguiente pérdida de sus características organolépticas. Por otra pane, el sobrecalentanuento de las capas externas favorece el desarrollo de la reacción de Maillard y ta caramelización de [os azúcares y dextrinas con la consiguiente aparición de un color marrón dorado, más o menos intenso, característico de 105 productos horneados. La elevada (cm~ratura y el bajo contenido en agua de [n capa.s superficiales angina también la oXldaci6n de le» ácidos grasos a aldehIdos, la=:onas, c!tonas, alcoholes y ésteres. Estas sustancias, JunIo con los compuestos denvados de la reacción de Mal!!ard y la degradación de Strecker, cootribuyen al desarrollo del aroma caracterhtico de los alimentos asados, dependiente de la composiCIón química y del tiempo y lemperatura de calentamiento. Desde un punlo de VISta nutritivo, los mayorCl cambios se producen, de iguaJ forma, en la superficie del alimento. Por tanto, [a relación volumen/superficie Juega un imponante papel a la bora de valorar [u pérdidu que puedan
Copillllo 9. U''/iza:ión d. rodiooon., ./ectromogneticoJ pr.:w:h•.::i,¡e. El efe.::.: se o;:.3:".:f:~s:a ~:l es¡::eti:l! en el contenido de algunos aminoicidos (sobre todo lisina) y dertas vitaminas (tiamina, vitamina C); la reducción en su contenido depende de las condiciones de procesado y de la naturalez:¡ del alimenl.O tratado. La energía infrarroja tiene numerOSilll aplicacIOnes en [a loduslrla Alimentaria. ASt, se utili.!3 en los procesos de horneado o asado, lastado y cocciÓn. En estos c;uos, es ImportanI~ controlar [a temperatura del procesado para que las modificaciones de las caracteristicas organoli!:pticas (cambio de color de su superficie, de aroma, textura y de bouquet) del alimento sean adecuad:u. Por oua parte, se utlhza en la (usión de grasas y en la desecación de alimenlO$ de bajo conlenido en agua (como pastas, cacao, harinas y gnnos). Es trecuente su uso como sistema de calentamiento en desecadores de banda continua a vacio y en liofilizadores. Esta forma de calentamiento se utiliza también en la lo dustria Alimentaria en el mantenImiento de estufas y calderiU, en [a retraccióo de materiales plásticos de envasado y en procedimientos especiales de destilación. Dentro de las aplicaciones hay que considera:, además, el secado al sol. donde la radiación infrarroja rep resenta alrededor del 48% de [a energía aportada.
9.2.2. Radiación microonda El empleo de microondas en el procesado de los ahmentos .se debe a que generan calor La idea de cale:1tJ.! los alimento~ con microondas ~urgió hace más de cuarenta años y se puede decir que deriva del desarrollo del rada: durante 101 Segunda Guerra Mundial. L.I conexión entre d. calor ~ F- (:li ~ 'f la posibilidad de emplearlo para calemar alimentos se debe a Petcy Spencer. qUIen patentó el primer horno microondu eo 1949. Desde eotonces, el horno microoodas ha sido una gran revolucióo a aivel domé3rico. En Estados Uai· dos es el segundo electtodomi!:sDco en importancia, eSlando presente actualmente en un
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9I'J~: ce !os hog!re~. En =Sr'::!.~3, aur.que está men\l5 introducido. se vendieron en 1995 casi 7ÓO.(OO unidades y es de prever que esta cifra aum.:nte con el tiempo. La presencia del horno microondas en los hogare! es un nuevo InceatlVo para la industria de elaboración de platos preparados y semipreparados, la cual debe onentar pane de su pro. ducción hacia este mercado en clara expansión. Aunque el calentamiento es un proceso fundamental en la Industria Alimentaria y las IT\J aoondas ofrecen ciertas ventajas, basta el momen~o su hito en este c¡mpo no se puede comparar al alcanzado en el ámbito doméstico yen la restauración colectiva. Sm embargo, el empleo de microondas a gran escala esta aumentando ripidameme gracias, entre ouas razone., a las recientes mejoras en el diseno de sistemas microondas de gran potenCIa y a la redUCCión del coste de los equipos.
A) FundamtnlO y ~q\.l.ipos En el espectro electromagnético, las microondas se siruan entre las ondas de radio y la radiación infrarroja. se caracte rizan por tener una rrecuenCla de emisión comprendida entre 300 MHz y 300 GHz, una 10ngllOO de onda en el into!rvalo 2.210-1,4 cm y una energía asociada de 1.2 x 10- 11 a 1.2 x lo-J eV (figura 9.1). Para evicar imerferencias con las ondas empleadas en las comUDlC8C1one.s (radar, radio,1V) se han establecido frecueDCias específiCM, deoommadu bandas ISM, de uso mdustrial, científico y médico. De esta fonna , el empleo de microondas em restringido a 915 MHz (896 MHt en alguD05 países europeos) para la baja frecuenCIa y,. 24SCJlUú peca la alta, lo que corresponde a una longitud de ooda de 32,8 (33.5 en algunos países europeos) y de 12.2 cm, respectivamente. Como todas las ondas e lecttoma~ticas. las microondas tienen asOCIados un CMnpO eltctrico y un campo magni!:tico, perpendiculares eatre si. Adem4s son ondas mooocromiticas, planas y fuertemente polarizadas... Por sus c:aracte-
rutic.a.s (!reeueDci. y longitud de ond.), las microondas son radiaciones no ionizan tes cen un poder-de penetración superior a Ja radiación infrarroja La energía de las microondas se convierte ea calor al ser absorbida por la materia. La iateraccióQ de esta radiacióQ ea un detenn1nado material crea una distorsiÓn debida al erecto del campo ma91~tlco Y eI~ctrico asociado. Como am~ campos son intercoovertibles. la absorción de UDO de e!J01 determ.mart que se debiliten los dos slrnulttneamente EXIsten muo chos meeaDlsmos por los que las microondas generan c3lor, dependiendo del material y las cendlclooes_ El campo mago~lIce puede ¡Ole· racejona! con los metales ma¡ntticos. provocando en ellos corrientes de electrones. En los alimentos este efecto es despreCiable ya que tstos sólo contienen canlldades traza de minerales magnéticos (nfquel, cobalto, hierro, etc.). Sin embargo, los alimentO! presentan como compoacnte mayoritario el agua (alrededor de! 80%). una molécula dipolo con una d!smbución no homogtnea de cargas e!tclricas y una cierta canlidad de sales ionizadas con las que puede iQteracaonar el campo eléctnco. De es· ta torma, es la absorción de! campo eléctrico asociado a la radiación microonda la que origina calor en los alimentos. mientras que la absorción del campo magnttico es de utilidad tan sólo en 10$ element01 de protección)' alg:.mos utensilios que se utilicen con los alimentos que presenten materiales magnéticos. En la generación de calor por microondas en los .limeDlOS se distinguen, tundamentalmente, dos mecamsmos: la COnducción jÓni· ca '1 la roración de dipolos (figura 9.2). En el primer caso, 10$ iones presentes en los alimentos se desplazarán seglln la dirección del campo electrico alterno consIguiente a la interacción de la radiación microonda. Duranle su desplazamiento, estos iones colisionarAn con moléculas vecinas. transmitiéndoles energía cinetica, aumentando su movimiento 'l. en defini· tiva, generando. calor. De esta fcrma , la conductividad elécttlca del malenal Influye en la
absorci6n de las microondas. Aunque eo muo chos casos no se ba terudo en cueota este me · canismo en el calentalllJeoto por microondas, adquiere bastante importancia en el caso de los alimentos con elevado contenido en sal. Por otra parte, los dipolos tendrán que rotar (figura 9.2) para orientane baJO la influencia de un ampo eUctnco de elevada fre cuencia (915 MHz en la baja frecuencia o 2.450 MHz en la alta) La rotación de los dipolos genera choques )' fricción molecular que iocrementan, al ¡gua! que en el caso antdor. la enerpa cin~tica y la temperatura. ~te es el principal mecanis · mo de !lene ración de calor en los ahment01 con un contenido elevado o medio de agua, siendo las re~lones de agua tibre (regiones mutlicapa y capilar) las disponibles para la Interacción con las microondas, dado que en la región moneea· pa la rotación de la mol~cu!a de agua estt est~ ri~ente impedida.. O,ros ccmponentes de les alimentos cen los que pueden interaccionar las microondas por rotación de dIpolos son los alcoholes y azúcares. La generación de calor en los ahmentos con muy baja humedad depende de la mteracci6n de las microondas con los Hpi. c,J! ) s.1hdos colOidales, aunque se desconocen los meC1I11SmeS implicados. Cuando una onda electromagnética incide en la superficie de un mllerial, una parle de ella será reflejada, mlennas que otra ser' Iilils<:\itica al interio. con un camhio de dirección (rr¡racció,,). A medida que la cnda se transmJle en el material puede ser progresivameDIe absorbIda de forma exponencial. Esta radiaci6n absorbida sert la que ceda su enerlea y origine el incremento de la temperatura. El grado de reflexión, pcnelTación y absorción de· pende, en buena parte, de las propiedades di· eltca1cas del material. Entre éstas las mis im· portantes son la COlIStallft d.eUcrrica (e') '1 el ¡aclor de pérdida ditUctrlca (c1. que son un retleJo de la capacidad de un material de almace · nar y disipar la energía de las microondas. La suma vectorial de estas propiedades se denomina ptrmwv.dad o ccnstante dieléctrica compleJa La relación entre c~ '1 t' es la tangente de
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íecnologjo áe kll A}imenlos. (1) :ompotlenleS Ó8
o:: C"'IC') ; es una meOlda Cle ja capacidad de un material de generar calor cuando recibe radiación microonda. La proporci6n de energía incidente que será reflejada por un determinado material viene dada por la siguienle expresión: perdIda (Ig
siendo Pr., la potencia reflejada (Wj y p..., la potencia incidente (W). La longitud de onda de e$ta radiaci6n en la materia se mocif:ca según la relaci6n
siendo ..1.", la longitud de onda en e material (m), e velocidad de propagación en el vacío (3 x 1()5 m S-I), f la frecuencia de emisiJn y . 1... la longitud de onda en el espacio libre (m). Por tanto, la constal!te dieléctrica es un in· dica tivo de las propiedade3 de reflexión y dela longitud de onda de las microondas en un marenal. Cuanto menor sea c', men~r será la proporción de la energfa de microondas refle· jada y mayor la longitud de onda en el material. Por su parte, el factor de pérdida es una medida de la capacidad de disipar b energia rni:roo>ldas en form] de calor. U. ecuación fundamental para determinar la potencia absorbida es: p.:: 55,6 W- 1·!e" El
(9.6)
donde p. es la potencia absorbida por unidad de volumen (W m- l ) , f es la frecuencia de la microonda (Hz), e" es el factor de p.!rdida die· léctrica y E el valor del campo e1.!cmco dent ro del alimento (V m- L). Otro parámetro a tener en cuenta cuando las microondu son absorbidas por un material e3 la profundidad dI! perUrrIlC¡Óf1 de la pOltf1cia (d,), que se defule como la dutancia a la que la
ro, o!imenloJ y proceJoJ
potencia inicial de las microondas ha disminui· do a un 37%. El valor d, será elevado en los mate riales en [os que se transmite la radiación sin ser absorbida y que, por lo tanlo, no se calientan. De una rorma muy simplificada, pero aplicable a la mayoría de los alimentos (con un error inferior al 50/0 ), la prorundidad de penetracLón se puede calcular como:
siendo ..1.~ la longitud de onda en el espacio ¡¡. bro: (m). Según sus propiedades diel.!ctricas y la forma de interaccionar con la radiacLón microonda, pueden considerane tres tipos básicos de materiales: a) Reflectantt$ o conduc!Q r~ que, como su
propio nombre indica, reDejan las microondas en su superficie}" no las absorben. Pertenecen a este grupo los metales puros (conductores), que se emplean para dirigir y contener las microondas (paredes de la cavidad donde se aplican las microondas, tubos guíl-ondas). b) TraftJpartrt(~, que transmiten las microondas. Es dectr, la radiación atraviesa el material sin que se absorba nada (o prácticamente [lId!) de su energía . Tienen valores de e' y c... ·muy bajos (cuadro 9.3). Se emplean como recipiente3 para contener los alimentos dura..,te su procesado y como protectores de partes esenciaJe3 en el sistema de generación de las microondu, como barreras fisicu frente al polvo y suciedad. Dentro de este grupo están el vidrio, la cerámica, el tef1ón, el polipropileno y el papeL e) Absorbentes o didtcrrlcOS O perdedores , que absorben la energía de las microondu, en mayor o menor medida. 1ienen valores de t' '1 t: relativamente elevados (cuadro 93). J:.ste es el caso de I~ alimentos.
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C':lnviene indicar que esta clasificacIón no puede ser estricta, la mayoría de los materiales son más o menos perdedores O conductores, . dept'ndiendo de diversas variables. En esta clasificación podría considerarse una cuarta..:a¡¿garía correspondiente a los ma· teriales magnéticos. Como ya se ha menciona· do, éstos tambi ~n absorben la energía microon· da, principalmente por la 1nteracci6n con el campo magnético. Éste e'S el caso de la ferrita y otro!. mauriaks empleados como sUJcep(or~ . El calor generado por las microondas en un alimt!nto depende tanto de las características de ~:>le como de las propiedades del sistema aUc:-oonda.:s utilli:ado. El cuadro 9.<1 recoge los factores más importantes en la regulación de esta forma de calentamiento. Respecto a las propiedades de! alimento, como ya ¡e ha meno cionrldo, las máll importantes son I:a::s dlel~ctri· cas, que correlacionan los atri butos físicos y qu(micas y varían principalmente con el conteo una [ nitro ~--rrcrmeritld , de ,al. E\ ~ relativamente elevada (aproximadamente 80) en relación con e! componente sólido de un ali· menta (generalmente menor de 2). Por ello, al aumentar el cOlltenido de agua de un alimento se incrementan proporcionalmente su e' y su t.", es decir, se barán más perdedores y,anver· tirÚ! más eficazmente la energía de las micro-
ondas en calor. La mayor absorción de las mic,oandas en las porciones con mayor conleni· do acuoso es muy útil para regular los proc!sos de deshidratación de alimentos. Se evita de' es· ta (onna el calentamiento excesivo de las zunas ya secas, cuya (' será mucho rr.~nor que la de 1015 porciones hÜmedas. La temperatura es otro factor que bay que considerar. La dependencia de las propiedades dlelcktricas de la temperatura es bastante cornflleja . Se puede decir que por encima de
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9 .t. fO'd!:lrtl q... ~n en 01 col_mNft!n po' m;c"""",da •.
1. 1'l000EDADES DE lAS 1. l . f,IOC'M"C;;o 1.2. 1O',-nc,O'
M!CR~D"S
2. HOPlED....oES oe lOS AUMENTOS 2.1. ,ropOtdod.. di.lidnca' C"",oosOco. quimoco 1."'ptrallH'o
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2.2.
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2.3 . "opitclRco CondUCli-oidod ViKOsidod Poro ..dad
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los O ·C, al aumcntM la temperaturJ disminuyen e', E~ y la tangente de pérdida. Es dear, aumentar' ta penetnci6n y dism.t.nuir' la absorción_ E,¡tO es un factor estabiliu.ote, puesto que impüca un aumento más uniforme de la temperatura_Sto embargo, en alimentos con alto conterudo en sal se aprecia el fenómeno contrario. La dIsminución de la temperatura por debajo de 10$ O ·C supone un cambio nouble de las propiedades dleléctnCM. Esto es &ebido a que al congelars:, las moléculas de agua tienen muchísli.l.a menor movilidad. El cambiO es tan grande que el hielo se conside ra prácticamente uansparente a las microondas y tiene unas propiedades d leMctricas completamente distintas del agua liquida (el agua a 24 ·C tie ne un t! de 78 y un E# de 1,7, mientras que la E' y el E- del hielo a O ·C son 3.2 y 0,003, respectivamente). Esto es de gran importancia en la descongelación de 105 alimentos, donde las microondas pueden acentuar las diferencias de temperalun en disti ntas panc.s del producto. Por $U parle, el mayor conlerudo en sales de un alimento Implica mayor conductividad y. por lo tanto, un calentamiento mb r;'pldo y menor poder de penetración. En el equipo microonda adqUiere especIal relevancia la frecuencia utilizada y la intensidad del campo eléctrico. Cuanto mayor es la frecuencia, mis elevada es la potencia absorbi· da, aunque la profundidad de penetracIón es menor. Este aspecto es ~ec ialmente importante par. regular el tratamiento en relación con el grosor del material que se va a tratar. Por otra parte, es evidente que cuanlo m.yor es la potencia de la radiación aplicada , más dpido es el calentamiento. Sin embargo, el empico de una polencia elevada puede causar un calentamiento no homogéneo, pudI endO producirse. sobrecalentamientos locales que pue den .fectar adversamente a las características sensona[es. Por regla general, los procesos con microondas han de ser tan lentos como sea po· sible, porque incluso a.sl $Crin mucho más ripldos que los métodos convencionales . La poten-
da de los equipos industriales suele estar entre 5 y 100 1cW '1 la de los domésticos entre 1 y 2 kW. Hay que tener en cuenta, adernú. la relaeón entre el volumen que se va a procesa.r y la potencia de! horno. La potencia absorbida disminuye rápidamente con e! tartWlo de la carga. En general se puede decir que a doble carga se necesitari doble tiempo de procesado pat. oblen.::r el mismo efecto. Las microondas gene ran calor en el interior de los ahmentos a una de terminada profundidad , por tnnsferencia cui instantánea de la energía del campo electromagnético. El calor así Jenerado se. Iransmite a las regiones interiores del alimento por conducción (convección en el caso de los líqUidos) y de la superfiCIe del producto .[ enlorno por convección natural o foruda }' radiación. En consecuencia. la difu sió n del calor en el alimento está condicionada por las propiedades geométricas, físicas y térmicas del alImento. Cuanto mayor sea el tama 00 de un alimento mú vinculado estará su ca.lentamiento a la conducción térmica. Para obtener un calentamienlO homogéneo la forma de [as piezas que .se van a tratar ha de ser [o m:b uniforme posible. Los defectos más fre cuentes derivados de la geometrfa del producto son el sobrecalentamiento de los bordes y esquinas en los poliédricos y del centro en los esf¿ncos o cilíndricos. La velocidad con la que aumenta la temperatura una vez absorbida la energía microondas depende del calor específico y de la conductividad térmica Otras propiedades Hsicas import.ntes son la vlscos.dad (porque condiciona el mOVimIento por convección) y [a poroSidad (ya que interfiere en la velocidad de migración de la humedad hacia el exterior). La densidad también influye en las propiedades dieléctricas del alimento. Como la €' del aIre es 1, es decir, es transparente a las microondas, la inclusión de IIre siempre supone la reducción de la E'. El primer horno microondas doméstico apa reció en 1955, bajo la firma Ray/heofl Corpora/iOfl de ~hssJchU$etts. Las primeras uní-
dades que se comercializ.uoll erao muy volu· minosas basta que se cambió el sistema de re· frigeración de agua por el de ventilación con aire. La popularidad de estos hornos aumentó notablemente al desarrollar lai industrias Lit· ton un modelo compacto a fiOlJes de los anos cincuenta. En la actualidad, existen equipos industriales continuos y discontinuos de !ran capacidad.
A) OPERACIÓN DISCONTINUA
B) OPERACiÓN CONTINUA
Los componentes bisicos de un eouiPO mi· croondas (figura 9.3) son: unajuf!nre tk dlimf!n· loci6n donde la corriente eléctrica alterna de suministro público (60 Hz) se transforma en corriente concinua de elevado voltaje; un sisu· ma generador di microond(J.I que convierte la comente continua de elevado voltaje en micro· ondas de la irecuencia deseada: y un rubo gufa· ondas que conduct: las microondas desde el ge·
168
r.cnologia de los AJirnel'llol {lJ Compotten1eJ de 101 o/ifOlenlol y procelOl
ncudor a 1. ':oJ~i':oJJ dI!! n.;m:¡ .. , do:;de las r.::crocndas ¡ntcucc¡onan ccm el malerial a tr'lat. En alguoos casos la interacción de las microondas con el material se produce en el mismo tubo gufa-ondas, aunque no es to habitual en la Industria Alimentaria . El equipo básico se puede asociar con sistemu tradicionales para la llIyeccióD de alre a dlS' tmta temperatura (convección forzada) o de vapor de agua, con una Cuente de InfralToJos (pata el dorado superficial) y. en el caso de alimentos sensibles al calor, con bombas para operar en condiciones moderadas de vacio En este ültimo caso, la redUCCIón de presión está ¡¡mllada a ij,31-26,66 kPa, ante la posibilidad de provocar problemas de arco. De esta forma, se pueden tener las ventajas del caleOlamieOlo convencional con menores tiempos de pr~sado. Dependiendo del grado de sofislicaci6n del equipo, existen distinros sistemas de control
p:~ rcg'-"!:!! !] c::,er!~:ón. ~C~ ejemplo, para controlar la pOlencla de aCl erdo con la veloci dad con que se introduce el material a procesar o con el aumento de temperatu ra que se desea en el producto ActualmeOle es también habi tual introducir un isodrcula·jor de ferrita entre el magnetrón y la cavidad, C:lO el fin de desviar la energia reflejada haCia el pomero a una carga dc agua para su absorción. De esta forma se evttan avenas en el magnetr~n. El generador de microondas es el componente m4s Importante de e~'os equipo, y tambltn el más complejO y senilble. Puede ser de vario,s tipos (campo cruzadc, tipo kl:.rltr, generadore5 de estado sólido). aunque los má, difund idos son los magn~!rOntS. Estos consisten básicamente en un diodo circular (figura 9.4), con el dtodo en el inte rior y un ánodo anular, formado por placas denominadas resonan/er, conectadas ¡¡Itemativamenu El conjunto está
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cio, Por debajo y por encima de esta estructura ha)' dos anillos de material magn~tic o (ge¡¡eralmente ferrita) que producen un umpo magn~ t i · ca paralelo al eje del filamento, es deci r, perpen· dicular al campo eléctrico. Al calentarse el fila· mento (cátodo) se liberan electrones de :;u superficie metahc,a que se aceleran radialmente hacia el ánodo ba.io [a infl uencia del umpo eléctnco creado al ap¡¡~ar un potencial de 4 OL'O '/ entre el ánodo y el filamento. El campo ma?· n~tico, por su pane , fuerza a los eleCtfones a seguir una trayectoria cur:a, Este mOVJm le n ~o de los electrones pro\oca una i;'1versión peri.'dica de la polaridad de los resonaDles del án')· do, que se transmite a los unidos alternatlv". mente, con una frecuencia igual a la de radiJ ción mIcroonda que se quiere emitir, U n filamento conectado a uno de los resonantr.s ¡ctua cama antena transmitIendo la alternan · cia de cargas a la cavidad de procesado a trav!!s del tubo gufa-ondas Tanto la caVIdad como el tubo gufa-ondas son de UD maten al (aormal· mente arumUlIOJ que TC: ñ~ja ¡al microondas La amplitud de las ondas presentes en la cavidad, las que salen del tubo y las reflejadas, se suman y restan, producie ndo reglones en las que el campo eJ!!ctrico es muy intenso y otras en las que es muy débIl. De esta forma, en la cavidl\d de procesado e,'l{istirán puntos ca.hentes y punlOS frias y el lfatamientO aplicado no será uniforme. slendo esto uno de los mayores proble· ma.s del ttat&m.lemo con microondas. En [os hornos domésticos y en los destina· dos a La restauración colectiva (nonnalmenle con un único magnetrón), para eVltlr el alen· ta.nuenro desigual se e~ n al meaos dos estrategias: un agitad or o ventilador metAlico si · tuado CA .el pwuo doode enll.aa..h! pttQ'I)Q:ad.~ a la caVIdad, y que refleja las microondas por la misma, y un plato giratorio para hacer pasar el alimento varias veces a través de los múim05 y los lllÚlinlO! del campo eléctrico. En el caso de I~ sistemas mduslriales, cuando son de tipo discontinuo nonnalmente se apILca un movi· m1eoto oscilatorio al producto. Si son coon·
nuos, erine u:u cinta trttJponador~ ( : ~msfla. rente a las microondas) que mantiene un cierto mo\;;niento en I:! ca\iJad de procesado Con el mismo efecto que el plato gira torio, Por otra parle, se distribuyen varios magne trones de menor potencia (por encima y por debajo del producto e incluso tambi~n por los laterales) que meloran sustancialmente la distribución de la. energía en la cavidad (figura 93), La seguridad es un factor muy impo rta nte de los sistemas microondas. Para evitar el esca. pe d:: radiación microonda, los hornos dom~s ticos disponen de una estructura de choque en· tre la puerta de a
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B) Efeclo en Jos allmtntos y aplicación tnla [ndU.l(na Alimt/llana
Las caracteristlcas principales del calenta· miento por microondas en relación con otras 'funrnn" I.OfWet\ciona4a de calentamiento pueden reswnirse en los siguie ntes puntos: . 1. El aumento de la temperatura es muy
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mica de 10$ aliment05. La velocidad del calentamiento puede eslimane en cuatro veces superior I I¡ de un proceso CODvencional, lo que 'conduce, en la aplicación industrial, a un m¡yor volumea de producción y un menor requenmiento de espacio en el área de procesado. El calentamiento es más uniforme que el logrado por infrarrojos, ya que el gra o diente de temperatura entre la superficie y el centro del alimento e! mucho menor. El calentamiento es selectiVO, puesto que prácticamente toda la energía se emplea para calentar el alimento y no el ambiente; en consecuencia, las ptrdidas de energra son menores. La energía se puede transmitir a dIstan· cia y se puede propagar en ambientes va· riados. La ausencia de inercia permite un control rápIdo. El nivel de potencia se puede ajustar electrónicamente en una fracción de segundo. La eficiencia del proceso es grande, siendo habitual una conversión de más del 50% de la energía eléctrica (60 Hz) en la generación de calor en el producto.
El calentamiento por microondas, aunque más homogéneo que el obtenido en los mttodos convencionales, produce una distribución no totalmente uniforme de la temperatura en el !lroducto. Este hecho deriva, por una !lane, de las variaciones en la densidad de potencia apli. cada por unidad de área y, por otra, de la heteo rogeneidad de la composición del alimento. Los productos calentados mediante este sistema no presentan pardeamienlo no enzimático ni formación de corteza superficial. lo que puede ser una ventaja en algunas aplicaciones pero supone un¡ gr¡n desventaja cuando la terminación culinaria del producto requiera estas car¡cterCsticas. Esto se debe ¡ que la generación de calor por microond¡s es muy rápida, la Q", se mantiene elevada y la te mperatura d= I¡ superficie. miennas exista agu¡, no sobrepasa
el punto de ebullición de ésta. Todas estas COQdiciones no son adecuadas para que se produzca pardea miento superflcial de fonn¡ manifies(¡, que requiere temperaturu superiores a los I77·C La rapidez y I¡ hmitación de la temperuura también condiciona el desarrollo del s¡bor}' del arom¡. de (om.¡ ql.le el (atamiento con microondas da lugar, en muchas ocasiones, ¡ un producto completamente distinto al obtenido por métodos tradicionales. Aunque h¡ existido cierta coO!rovel'1i¡ acero ca de si la radIación microonda eje rcía O no efectos ¿lsuntos de los ttmucos. en la actualidad se acepta que la destrucción de los microorganismos y nl.ltrientes termolábiles acontecida dur¡nte su uso está gobernada por las mismas rel¡ciones tiempo-temperatura que en los procesos de calent¡miento convencionales. la ven{¡ja de los tratamientos con microondas está en alcanzar mucho más rápidamente I¡ temperatuu necesaria pua la destrucción de microorganismos (etapa de calentamiento), mientras que los períodos de equilibrado, mantenimiento y entriarniento $011 independientes del mttodo de calentamiento ulllitado. De est¡ forma , e!tiempo de tratamiento puede ser un 5% del requerido en el calent¡miento por conducción Y. en consecuenci¡, hay un¡ m¡yor retención de nutrientes y compuestos aromáticos y sápidos. Aunque las microondu son una forma limpia de energí¡ y poseen unas características especi¡les muy adecuadas para ciertos procesos, conllevan un g¡stO energttico elevado. El coste derivado del gasto de energía eléctrica puede ser tres veces superior al consumo energttico de los métodos tradicionales. En consecuencia. el empleo de microondas debe limitarse a aquelln aplicaciones donde supong¡n un¡ ventaja sustancial o cuando sus efectos no se puedan conseguir por otros medios. Un ¡nálisis de la evolución del empleo de las microondas en la Industria Aliment¡ria revel¡ que muchas aplicaciones desurol!¡das en los primeros años han des¡p¡recido casi por completo a! h:!.berse mejor¡do [os procesos Ira· dicionales a los que sustituyeron (secado de pa-
in de rodiocioneJ .lectrof'/Iogné/icos
tatas fritas, fritura de donuts, cocinado de pe> 110), mientras que otras continuan en uso y han aparecido otras nuevas. Entre las aplicaciones que han tenido más txito ~ encuentran el atemperado de carne y pescado, la deshidratación de pasta, cebollas y aperitivos. el precocinado de beicon, pollo y hamburguesu y la pasteriución y esterilización de distintos productos. Hay que señalar que lu microondas. generalmente. se combinan con formas de ca· lar convencionales. El cuadro 9.5 recoge las particularidades de las principales aplicaCiOnes de mic;oood.!s en [a Industria ."-.Iimentaria. La aplicación de microondas para procesos de atemperado ha sido [a de mayor éxito, a.I reemplazar un proceso convencional largo e ineficaz por otro con un requerirruento energetico muy bajo. El atemperado con microondas se re aliza en un corto periodo de tiempo (algunos minutos), sin necesidad de desempaquetar el producto. El tratamiento se realiza habilUal mente por aphca6ón intermitente de microondas. para permitir el equilibrio ttrmico, y UOClado con la circulación de aire frío para limita r el sobrecalentamiento de los bordes y las esquinas Tratamientos de deshidratación y secado por métodos tradicionales combinados con el empleo de microondas se realizan con éxito en diversos productos como pastas. salsas de to-
mate, cebollas, arr02 y aperitivos. Puesto que el coste de la deshidratación empleando sólo microondas es muy elevado. éstas se emplean uni. camente en Ja etapa final (por debajo del 20% de bumedad). cuando la Velocidad de secado deJCiende. De esta forma. se reduce notablemente el tiempo de tratamiento (de 8 a l,S ho· ras en la elaboración de pastas) y el coste (inal del proceso (hasta en un 33%). También se ha IOdl!:ado que mejora la calidad del producto ya que no se produce endurecimiento superficial. En el cocinado y pr~coc¡nado, la aplicación de microondas se combina con aire caliente, vapor de agua o fuente de infrarrojos. En este grupo de aplicaciones destaca el precocinado del beicon donde . además de mejorar el rendi· miento. la grasa obtenida es de gran calidad y se puede emplear para otros fines . El modelo sueco ¡"pro t;,tilita microondas para el precocinado en continuo d~ porcion~s de carne)' pescado previamente tratados con placas dO! teflón cubiertas con aluminio para obtener un pardeamiento superficial adecuado del producto. El empleo de microondas en el horneado permite una reducción del tiempo de procesa· do de un 00%. El principal problema que plantearon las microondas en esta aplicación fue la ausencia de pardelmlento superficial y de formación de corteza. Para solventar este hecho
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Pella hICe, plelo. p'.pereOoI, 01;_. _ ...do •. oI;""'l"tIQ. ","i.olido•. I.ehe. pe" en ,.bonodo •
172
Tecnolog;o d. los AlimenlOs.
mCompoo.nles de los olimenlOJ y ptoceJOJ
[0$ tratamientos suelen combinarse con radiación infrarroja. Por otra parte se han desarrollado una serie de agentes de pardeamiento pa· ra conferir un aspecto dorado a los productos tratados por microondas. Un ejemplo de esta naturaleza es el Microplu.s™, que es una emulsión w/o con un colorante que !e libera cuando el producto se calienta en el r,1icroondas. Con el empleo de esta forma de calentamiento, hJ. surgido la necesidad de des< rrollar aditivos que proporcionen a los prodll<:tos tralados características organo[éplicas adt cuadas. Para este fin. se han elaborado aromamantes estables y mezclas de precursores sápie!)s y aromáticos para su lransformaci6n durantt el calentamltntO rápido y poco intenso que .:aractem:a a las microondas (aromas dinamlcas). La destrucción de microorBanismos (pastenuclón. esterilización) por tratamiento con microondas, además de ~cort.¡r el tiempo de procesado, permite tr:Har [os a[;mentos envasa· dos, siempre que el material de estos últimos sea adecuado (transparente a In microondas y estable a temperaturas o..Ievadas) La pasterización y esterilizaCIón por microondas requiere un ajuste muy cuidadoso del equipo y generalmente se asocia con el empleo de aire caliente para evitar problemas derivados de la pOSIble falta de uniformidad en el calentamiento. A nivel de plaOla piloto se ban este:-ilizado alimentos líquidos y semiliquidos y, en Europa. ya se han comerCializado algunos placos preparado.> esterilizados con este procedimi-:nto (principalmente pastas estables a temperatura ambIente y con una cadUCIdad de hasta un año). Enlre 10$ productos pasterizados con microondas se encuentran pan, patatas, po!lC2do, verduras y ensaladas. En Europa existen unu 50 instadaciones, localizadas principalmente en Suecia, Dinamarca, Alemania y Suiza. El escaldado de frutas y verduras por microondas es un ejemplo de aplicación no recomendable, ya que su coste econÓmico es mucho más elevado que con los métodos· tradicionales y no se mejora la calidad del produelo. A pesar de ello, el sistema sueco Scanpro utiliza esta ra-
dlaci6n en combmaclón con agua hIrvIendo para el tratamiento de patatas enteras peladas. Las microondas también se han empleado para la destrucción de aflatoxinas en frutos secos, de triquina en carne y de insectos en cereales. EXIsten otras muchas aplicaciones de las mi· croondas que se encuentran actualmente en dis· tintas etapa~ de desarrollo, entre ellas pueden cil!f"ie: la liofilización, la coagulación de productos cárnicos, el tostado de café y cacao, la apertura de ostras y el desplumado de las aves. La aceptación de los sistemas microondas ha hecho que la Industria Alimentaria se ocupe de la elaboraciÓn de nuevos produclos diseñad.;.s, e'pecificame¡¡,e, pa:a ser preparados con esta forma de calentamiento. Para ello, ha SIdo net esario la reformulación de muchos produc. tos y la adaptación de recipientes y envases. Se tiende a emplear almidón, celulosa, alginatos, alcoholes, aceites y emulgentes para obtener un cal!!:ntamie~to uniforme . En relación con los utensihos y envases. hay que diferenciar entre aquellos plJSivos. transpa· rentes a las microondas, y 105 activOl que modifican la interacción de las microondas con el alimento. Entre los primeros se encuentran el vi· drio, la cerámica, el pape!, el cartón y los pl:isticos. En este último caso es especialmente lmpOrlante elegir un material con una termorresistencia acorde con La temperatura que va a alcanzar el alimento durante el tratamiento. Los metales se consic!eran geo~ralmen:e inadecuados porque reflejan las microondas y por el peligro de ocasionar arco eléctrico. Los eovascs activos son aquenos que cambian la configuración del campo eléctrico o magnético y, por lo tanlO, la (arma en que el produclo que contienen va a calentarse En este envasado activo se incluyen los susceplores y los materiales barrera que, junto a ¡os materiales transparentes y mediante su combinación, permiten el discfto de envases para placos que contengan distintos componentes que requieran diferente velocidad de calentamiento. Como material barrera normalmeate se emplea el pape! de aluminio, que refleja las micro-
Capitulo 9' UtiláociÓl'l de radiacioneJ elwromagn"ticoJ ondas e impidt; $U in'~rac~i6n «lil. el pro¿O!;::::, reduciendo su velocidad de cocinado con res· pecto a otros compon~ntes del mismo. La mayor innovación está en el empleo de swcepcore.s (o receptores), que permiten a los productos preparados para ser calentados con microondas competir con los alimentos calenla· dos por métodos convencionales. ÉstoS contie· nen materiales que absorben y convierten la energía microondas en enugía radian:.! o infra· rroja, consiguiéndose así una te mperarura lo su· ficientemente elevada como para que se desen· cadene y progrese la reacción de Maillard. Los más comunes están fabricad os con películas de poliéster cubiertas con alumwio. Los susupro· res de segunda generación presentan metales como níquel, cobre, hierro y acero inoxidable y tienen la ventaja de converur el compone nte magnético de las microondu en energía termi· ca. El problema que existe actualmente es que el catar generado en el componente metálico puede afectar a la pclfcuJa plásllca que los contiene, fundiéndose '! transfiriéndose los adbesi· vos del mismo al ahmento. Por tanto es necesafio utilizar plastificadores y materiales de eotrecruzamiemo más estables.
92.3. Cc/entomiMlo
173
S~
!e somete a ¡;:: c~:npo elé:t:1c ) alterno. El proceso consiste en colocar el producto que se \'a a calenlar (did¿cuico) entre jos placas o electrodos paralelos. denominadas placas copo. citan/es, que están unidas a un generador alter. no de alta frecuencia y capacidad (figura 9.5). El calor se genera, al igual que en lo, bornos microondas, por fri c:c:ión de [as moléculas dípe. lares como respuesta a la aplicación de un cam. po eléctrico alterno. Las frecuenc-" ,u utilizadas son más bajas que las empleadas tn los hornos microondas, oscilando en el intervalo de 1 a 300 MHz, aunque a nivel industrial suele utili. zarse 30 MHz. La principal dIfere ncia emre el calentamiento por microondas} el calenta_ mientO dieléctrico es que, mientras el primero es un fenómeno de radiación, el s~gundo es un fen6meno electrostático. ya que el al imento permanece en contacto COn las placa, capad· tantes. La potencia desarrollada ,:ntre el die. léctrico viene dada por la eC11llción' p: (E:' f A)/(d "
t, ,)
(9.8)
Siendo E :: intensidad del campo eléctrico, f '" frecuencia, A '" area del dieléctrico, d = espe. sor del dieléctrico, ( .. r constante dieléctrica del producto que se quiere calenlar, tg ó:: tan· Jeme del .ingulo de pérdIda del dieléctrico, (t'" tg ó = facror d~ püdida). Por tanto, el calor generado depende de la frecuencia y de la intensi· dad del campo eléctrico, El vahaje aplicado es·
diel~trico
El calentamiento dieléctrico se define como la calefacción de un material aIslante eléctrico por las pérdida, que se producen en él cuando
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FIGURA 9.5. E¡qllema de un cclefocror dieléctrico,
t' limitado por la resistencia diel¿ctrica del ml-
tenal que 5C cabenta y por b. presencia de arcos eotre los electrodos. Por esta ru:ón los aparllos i.ndustriale5 e5tá.a limitados a unos 15 kW El espesor de la pieu del alimento est' condicionado, igualmente, por la producción de arco eotre las placas capaciLantes. Los apar.llos de calefaccióo diel¿cmca, en general, están compuenos por una CInta transponadora de un material con bctor de perdida balO, que hace pisar los alimentos a una velocidad controlada entre las placas capacl[anteS La placa superior se puede elevar o bajar para regular el calor generado ea los productos tra· tados, sIendo tambl¿n variable la a1imenución de energía eI¿ctnca. Por razones econórruClS, los generadores utilizados en estas lnstalacio· nes son de frecuencia inferior a 100 MHz. Aun· que se han construido equipos que producen cientos de kilowatlos. la mayorla de los que "se ullhzan son unidldel de calefacción capaccs de dis;pa~ 30 kW de energía en el producto ali · mentlcio con una elicacia de un 50% Este sistema de calentamiento es muy rápi . do en comparación con los m¿todos convencIOnales, y las p¿rdldas de energla son mínImas Pemite el tra tamiento continuo de ICM alimentos y un conlrol automáttco y preciso del pro· ceso. El sobrecalentamiento local es muy escaso. por lo que se reduce el deterioro I¿rmico de los a!tmentos. Al utilizarse frecuencias Inferiores a las empIcadas en los hornos rrucroondas, b. profundidad de penetración es millyor Por las mismas razones detalladas en el caso de las microondas, no se produce pardeamleRto en la superficie del alimento. El calentamiento dlel¿ctrico se ha empleado en l. Indusuia Alimentaria con dlversos obJetivos, aunque no se tiene constancia de su uso para la pasler.ización o esterilización de alimen tos. Las aplicaciones más frecuentes en la in· dust ria AlImentaria son las siguientes: n) En el tratamiento posterior al COCido de
bizcochos para reducir el contenido de hu · medad hlsta el2'!'o
b) Ea el proccso final de secado de plll tos·
tado. galletas, cubos de azúcar. Sin embargo, dado el elevado gasto eaerg¿ttco (iC requiere alrededor de 2 kW h-1 para evaporar 1 kg de agua) 00 resulta económicamente rentable para eliminar grandes volúmenes de agua. c} En la descongelación de alimentos en bloque (huevos, carne, pescado, zumos de frutas) con la Venla)a, freote al em· pko de microondas, de lener mayor pro· fundidad de penetración. d) En la fuSión de chocolate , mantequilla y gras:!5 ~n general
92.¿. Colen/omlMlo óhmico
El calentamiento óhmico se produce cuando una corrie nte el¿ctrica pasa a través de un produClo conductor de la e lectricidad. En este caso. se recurre al empleo de corriente alterna de baja frecuencia (50-60 Hz). La energfa eléctrica se transforma en energia térmica en el interior del producto de forma similar a como su· cede en el calenlamiento por mIcroondas o en el dieléctrico, aunque se diferencia de eSIOs úllimos en que la profundidad de pe netración es prácticamente ilimitada. La extensión del ca len la miento depende de la uniformidad espill(lal ele la conductividad eléclrica en el produc· to y del tiempo de residencia del alimento en el sistema. El parimeuo fundamental es la conductividad e!éclncl del alimento; bajo este aspeCIO se distinguen dos ¡IpoS de materiales o) Los no conductores O ais/aflles. como las
grans, acelles, azúcares y sólidos no metálicos tales como huesos, celulosa y cs· uucturas cristahnas (incluido el hiela), que no se ven arecudos por el calentamiento óhmico. b) Los conductora que. por lo tanto, se ca· lienlan al paso de la comente eléctrica. La mayorra de los alimentos se compor· tan de esta ¡orma )1 Clue conlLenen, al
Ó. rcdioool'lflJ &ledromognélicOJ
meDOS. una cantidad moderada de agua y sales disueltas.
La velocidad de generación de calor en un alimento sometido a un campo el~ctrico viene determinada por la ecuación:
Q = V:' S
(9.9)
donde Q representa la velocidad de generaCIón de calor por unidad oe volumen, V la diferenCia de potencial generada por la instalación y s la conductl\'ldad eléclnca Esta última difiere en¡;e sólidos ~. IfquidQS y. a su vez, depende de la temperatura y del tamado de [a, panfculas sólidas Un calentador óhmico típICO (figura 9.6) está formado por una columna o cilindro de ace ro mO,ludable recubi~rto tntemamenre por un ll15lante el~ctrico de naturaleza plástica. Den· tro y en la parte central se sitúan una sene de electrodos. de fomt3: que [a columna se divlde en secciones o espacios entTe electrodos. La columna se dispone en vertical o ligeramente indmada, Siendo el flujo del produclo ascendente Una vjlvula colocada en la parte superior asegura que la instalación esté siempre llena de producto. La columna tiene que estar configurada de (a rma que cada una de sus secciones presente la misma impedancia eléctrica. Para ello, la dlsuncia entre los electrodos aumenta al aproximarse a la salida de la Instalación. De esta forma. se mtenta compensar el incremento de la condUCtivIdad del alimento al aumentar su temperatura (debido a Ja mayor movihdad ióntca); una excepción serían los fluKfos en los que la viscosidad se incrementa con la temperatura, tal es el caso de aquellos productos que contienen almidón sin gelatinizar Esta forma de generar calor permite el procesado en continuo de productos sin necesidad de disponer de superficies de Intercambio de calor, por lo cual el riesgo de sobrecalentamiento y (ormaClón de corteza es muy bajo El ca lentamiento es rápido y se genera en el interior, por lo,) que es b:.st!.nte uniforme El proce-
175
so es Udl de controlar y regular; el COSte de ma.nt~ni!I'j~nto es baJO y el rendimiento en la utilización de la energra eI~crnca es mayor que el conseguido con las microondas. El calentamIento óhmiCO de los alimentos no es un idea nueva, ya a comienzos de eSle si· glo se estudIÓ la posibilidad de pasterizar la le che tratándola entre dos placas 'tntre las que e""tía una diferenCia de p.Jtencia!. La falta de instalaciones adecuadas y la dificuhad de con;rolar el proceso hizo que esta tecnologia se abandonara En los últimos a/\os, el desarrollo de equipos más adecuados ha pernutldo reavivar el interes por esta forma de calentamlent"_ En los prim~ros estudIOS sobre la esterilizaCión de alimentos mediante calentamiento óhmico, se pensó que la destrucción de microorganismos podía deberse, más que al calentamiento, al efecto de la electricidad sobre éstos. Sin embargo, estudiOS reCientes en los que se campan la cin~tica de destrucción de los microorganismos- dUfante un traUllllle.oJo térmiCO conven· cional y la acontecida en el ca.lentamiento óh· mico indican que el efecto bactericida, al igual que en el calentamiento por microondas y dieI~c trico, se debe unica y exclusivamente al 10cremen!o de la temperatura, sin que existan in· dicios de fen6m~nos atribulbles al campo el~c trico aplicado . El inconveniente mlh lmpOrlante de este tipo de tratamIento radica en la dificul tad que conll~va el cálculo del efecto letal total del calentamiento óhmico, dado que ~ste depende de multiples faclores . Los parámetros más imponantes implicados son la conductividad el~ctnca de los dIfe re ntes componentes del ah· mento y la distribUCión de la corriente el~ctn· ca en el SIstema La presencia de partfcu las con chferente tamai\o, la diferencia en conductividad entre las (ases sólida y liquida y la modificación de ~sta con la temperatura pueden dar lugar a ritmos de calentamiento complejos que dificultan la predicci6n del incremento de la temperatura -El calentamiento óhmico esUIi, sobre todo indicado pan: el procesado astpClCO de atimen·
176
TecnoIogíll d. los A/imBflllls. (IJ CClf'rlpon.n'e~ d. los olimenlos y procesos
8)
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FIGURA 9.6. Esqvemo de un eqUIPO de col.nrllm,enro Oh mICIl. Al rundemenro. 81 CoIumllO óe colenronllm· 10 óhmico. C) Diagrama de un liueme de e1lerilirocion con cclenklmienlo ¿,hmico y envoJQdo o~ptico. ClP, deoning in place [Iimpie::o in ,¡n.'J.
tos con un contenido en agua superior al 300/... que pueden bombcane a traves de conducciooes. Entre otras aplicaciones, resulta especial· mente alTactivo para la esteriJi.zaci6n en conti· nuo de alimentos particulados, compuestos por una fase líquida y una fase sólida constituida por partículas de tamado variable. En estos ca· sos. e! caJor se genera simultáneamente en amo
bas fases ; por k, tanto, e! calentamiento de las porciones sólidas no depende, como en los me· todos tradicionales. de la cooductividad témUca a través de! fluido. De esta forma, el tratamien· to es mucho mb unifonne, puesto que para U~· gar a la esterilización de! centro [émUco de las porciones só!jdas no es necesano el sobrecaJco· tamiento de la superficie de éstas ni el de la fase
liquida. En elle caso, la reguianoao del trltamiento depende de la conductáidad eléctrica de las fases líquida y sólida. En consecuencia, cuanto más próximos estén estcs valores más homogéneo será el calentamieno. Eltama"o de partícula es un aspecto Importante ya que cuanto menor sea 6te, mayor sed la conducti· vidad eJ.!ctrica. Por todo ello, el : alentamiento óhmico se está utiliza ndo con grandes ventajas en los tralamientos de esterilización de allmen · tos a al la temperatura duranle ca ·to tiempo. La figura 9.6 muestra el diag rama de una instalaci6n de esta naturaleza. Este tipo de instalaciones, no rmalme nte, trabajan bajo ~ n cierto grado de \acfo (O.2 kPa en la esterJ!nción de productos ácidos y 0,4 lePa en los poco Jcidos) y pue· den alcanzarse temperaturas de 120-140 oc. El producto se calienta hasta la temperatura de tratamiento de forma progresiva en su recorrido por el calentador óhmico. A la !alida de éste, pasa a un tubo de mante nirruento aislado térmi · camente que permite ajwtar el ti~ mpo de tratamiento. El enfriamiento se realiza en un intercambiador de cator tubular y, finalmente, el producto pasa a un tanque de almacenamiento conectado a un sistema de envasado asépnco. En la actualidad, el calentamiento 6lunico se está utilizando en el tralarnJenlO de prod uc;tos que contienen porciones de carne, langostinos. judías, champi"ones y frutas (b...is, melocotones, peras y manzanas) troceados !n cubos o en rceajas con un tamalio no supericr a 2S mm en cualquiera de sus direCCIones. Por otra parte,.se eltá empleando en el procesado térmico de fru · tas enleras de pequeño tamalio (fresas y moras) yen la esterilizaci6n de productos V\SCOsos como salsas de quesos y postres láacos.
9.2.5 Colenlom;enlo por indlJCción En este mttodo, el calentamiento del mate· nal se logra mediante la corrienle inducida en él por un campo magnétiCO alterno. En la [ndustria Alimentaria pril.ctlcamente sólo .se utiliza en el procesado culin&rio. Como
ya se ha menc;ionado, los alimentos presentan camidades trazas de mine rales magnéticos. Por [anto, la dIStorsión creada en ellos por la mcidencia de un campo magnético es despreciable. Sin embargo, pueden utilizarse co mo focos de calefacci6n superficies y recipientes fabricados con melales magnéticos. en los cuales la al ternancia de un campo magnético mduce: una corri~nle de electrones. En cocinas y hornos de inducci6n. el calor gef\Crado en estos matena_ les se transmite por co nducción a los alimentos. Estos equipos llenen la ventaJa de permitir un control rápido y preciso del área de calenta. lJUe nto, son fáCIles de limpiar y la generación específica de calor (materiales magnéticos) dis. mlnuye el riesgo de accidentes por quemaduras en los operarios de restauracl6n.
9.3. Irradiación de alimentos Son muchos Jos núcleos de población que se muestran reacios ante el empleo de radiaciones ioruzantes y más aún cUilOdo el material tratado son los alimentos. Se trata de un problemil cuya soluci6n requIere una adecuada información que permita al consumidor conocer las ve:1ta¡as e inconvenientes de esta (orma de procesar los alimentos. L3. irradiaci6n de alimentos ha SIdo uno de los Hatamientos más estudiados y eval uados precisamente por la controversia que le acompaña. Los resultados obtenidos en múltlpl~ m· velugadones, realtudas en distintas condiciones y países, indican que el consumo de alimentos irradiados carece de efectos nocivos si~mpre que este tratarruen[Q .se realice dentro de cier· tos limites y en condIciones conlColadas. Bajo eSle aspecto, oo' todO$ los tipos de radiaciones ionizan tes (ondas electromagnéticas ioruzante3, baces de electrones y de partlculas atómicas más pesadas) pueden uuhzatse en el tratamiento de alimentos. Si los niveles de energia de la fuente radiactiva son elevados podría presentarse un fen6men o de radiactiyidad induúda por el cual ciertos componentes del alimento se
convertirlan en radiactivos. Por eUo el Com.tlé Mixto FAOfOIEAlOMS de expenos en ¡rTil.· diaoón de alimentos, bclndose en eSl.Jmacio· nes teóricas y estudios experimentales, acordó en 1980 autorizar como fuentes de radiación, para el tratamiento de alimentos, aqueUas (ra· yos gamma, rayos X y haces de electrones de baja encrgla) cuyos niveles de energfa se en· cuennan muy por debajo de los que pued~n In' ducir radiactividad. De esta forma , se garantita que \0$ alimentos uatados $Crán, en esle aspec· tO totalmente seguros. El cuadro 9.6 recoge las fuentes de Irradiación recomendadas y las ca· racterístlcas de las mismas. CUA:ltQ 9 6 F... ",.. d. ¡nodioc;o" ,.=om.t>d"do. pole . 1 lI'o",m;'n/O d. oli .... n"" pOI . 1 C"",.11I d. hptrlO . d. 1" fAO/AJf.A/OMS y par la COtII".on dtl 'odIA A/ime.owon ....
bro. g.,."".., d. roOoon.:.ct.do, "Co II'C.
,... 1.2j
-0)'0' X g..,.rodo.... oc:.l.rodor.. d...........
.v. 1.6.11)-1. l
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9 J . 1. Ef.c/o qlJimico y bIOlógico de lo ;rrod;oc;oo Para evaluar el efecto de las radiaciones io· nllantes utiliudas en el proceu.do de alimentos (cuadro 96), es neccsario conocer la repercu · sión que tiene la IOcidencia de este llpo de ta· dlaclones en cualquier material. Los electrones y las radiaciones gamma producen iomtaciones y excitxiones en los 'tomos ylo moléculas de la materia con Ja que interaccionan, lo que se co· noce como efecto primtJrio de ID ¡"Qd.QCWfI (fi· gura 9.7). Como consecuencia de la excilación molecular apareccn nuevos iones y radicales h· bres. que dan lugar a recomblnaciones,! dime';·
zaciones de las que resultan sustancias ajenas a la compOSICiÓn IniCial del produclo, lo que constilUye el efecto s«undano de iD inadiacwl\. Este último efecto $C prolonga en el alimenlo, con formación y desaparición de compuestos, hasta el estableCimiento de productos estables. AJ conjunto de estos fenómenos se le denomina radiolisis (e(ecto primario'" efecto secundario) j' a los nu~\'os compuestoS onginado!! productos rQdiof{ncos (riJUra 97) La intenSidad de la radiolislS depende de la composici6n del alimento tratado, de las condi· ciones de procesado y de la dosis de vraduJción absorbida, Siendo ~sta la cantidad de energía absorbida por unidad de masa. Esta magnitud se expresa en geay (1 Gy:: 1 Julio kr!) y en ud ( 1 rad z 100 ergiOS g.I), aunque esta última uni· dad apenas se utiliza en la actua lidad . En un tratamiento de esta naturaleza la dosis absorbl' da y su distribución dependen d-e la potencia y del IIpO de fuente de IrradiaCión utilizada . El control del tratamiento aplicado se realiza me· diante dos{metros que pueden ser c.alonmétri· cos o q1,limicos (1 vetes colorimétricos). la do· sis media global absorbida (D) puede calcular· se de acuerdo con la sigUiente upreslón matemática: D:: ¡1M f p (:c,y,z) d (x.y,z) d\':
(9.10)
donde, M:. masa total de la muestra tratada, p :: denSidad local en el punto (.r.y.l), d = dosis local absorbida en el punto (.r,y,l), dV '" frac · clones volumétncas d.t, dy, de . Las macro, y micromoléculas resultan afecta· das, en mayor o menor grado, por el efecto pri. mario. Sin embargo, la extensi6n y generaliza· ción de la radlolisis se debe al decto set:undario, al reaccionar los radicales libres generados con dlslIntas moléculas. En estos hechos cabe desta· car el papel del contenido acuoso de los alimen· tos. Como es sabido el agua es el componente mayoritario de los seres VIVOS y de muchos ah· mentos, y al ser irradiados (ir), se originan di· versos radicales libres, con car.tcter oxidante o reduclor, con elevada capacidad d: reacción
6n
ti., rodiooOl1f1U
electromagnjticol
179
FIGURA 9.7 . Efectos derivodos de lo irro d,oci on de alimentos.
Por iomtación, "- - ,. 2 H~O --f H10 + e- aq + H¡O' Por excitación " - - ,. HlO --f H~O' -+ H' ... OH'
Aunque algunos de estOs radicales se pler· den al forma~e de nuevo moléculas de agua, la mayorla de ellos intervienen de forma decisiva en [a radio[isis. Su efecto es aun mayor en pre · sen.:ia de oxígeno, al formarse peróxidos y su' perperóxidos de gran actividad En conjunto , [a presencia de estos radicales va a condicionar las reacciones de oll: idación y de reducción, provocando un desequilibrio en [os procesos de óxido·reducción enzimática y. en canse · cuencia, la desestabilización metabóhca. La sensibilidad de una molécu[a a la irradia· ción es directamente proporcional a su masa molecular. Esto explica que fa irradiación a do· sis bajas sea válida para prolongar la vida útil de los alimentos. Tratamientos de esta natura· leu pueden causar la destrucción de los agen ·
tes \'ivos presentes en los alimentos (insectos y parásitos fundamentalmente y algunos microorganismos) o ralentizar los procesos fisiol6gi· cos de algunos vegetales (maduración, creci· miento de brotes y ralces), sin apenas modifi· car las clfacteTÍsticas organol¿pticas r el valor nutriUvo dertvado de su composición en pro· teínas, Jípidos y carbohidratos. Al ser los ácidos nudelcos los componentes de mayor compleji· dad a nivel celular, la posibilidad de que el ma· terial genético sufra da-'os dIrectos es muy ele· vada. De esta forma, la dosis leta[ de irradia· ción asociada a cada organismo vivo disminuye a med ida que aumenta la complejidad de su ADN (figura 9.8). Tanto por el efeclO primario de la irradia· ción como por el secundario, la estructu ra de los ácidos nuc!eicos puede afectarse de multi· p!es formas , llegando incluso a romperse en uno o más puntos, y conducir a la muerte celu· lar, cuando las lesiones ocasionadas no puedan ser subsanadas por 105 mecanismos de repara· ciÓn. Otras macromoléculas más sencillas expe· rimenlan también modificaciones , en especial debido al d ecto ~cundario o indirecto. De esta
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FIGURA 9 .9 Oosilletclel pcre dis~in:ol organilmoJ vivOJ .
forma , los polisacáridos (celulosa . pccunas y al· rrudones) puedeo ser parCialmente dcspolimeri-
zados. Las proteicas son relatIvamente poco afectadas, aunque la reducción de 10$ enlaces disulfuro es la causa de la inactlvación y de los cambIos de confciTI'.ación de algunas enzunas. También se ha observado hidrOlisu de enlaces peplídicos y oxidación de grupos -SH. Entre las moléculas de peque do tamaño. 105 monosacáridos pueden ~x.idar.;e o I'lIdrolizarse y los ¡mino-
.kidos pueden resultar deumioados, pero
500
los ácidos grasos polÜIaaturados los más afecta-
dos, dando lugar a hidroperóxidos inestables y a numerosos productos de degradación. Ea consecuencia, el efecto lelal de las radiaciones ¡oniuntes en organismos vivos se debe, en primer lugar. a los dañ05 directos ocasiona-
dos en el ADN Y el ARo"'! Estil!ll alteraciones afectan a la expresión de algunos genes y a la biosfntesis de varias enzimas e Interneren C.Jn 13. dIVisión celular. Esto es válido tanto para im· pedir la proliferación de microorganismos como para inhibir la gemUnaClón y ralenriar la maduración de ciertos vegetales. En segundo t~nnino, los resultados de los tratamientos de UTadiación se lUocian con las alteraciones que [os radicales libres formados o riginan en [os equilibrios de ó~do-reducción eruimácica. Estas modificaciones repercuten en los procesos de simesis metabólica y panicula.rmeOle en la s[ntesis de 105 ácidos oucleic.os. El avance de la radiolisis ocasiona, además, lesiones en las membranas celulares que afectan especialmente. su penneabilidad. Este hecho se debe. sobre todo,
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al decto secundario de la inadiación sobre el componente lipfdico de ~stas. ea pa!'ticular a la alteració n de los ácidos grasos polilnsalUrados Estos cambios reperculen en la actividad de las enzimas asociadas a la membrana, ocasionan ptrdida de líquido intracelular e incluso ruptura de la membrana y muerle celular al cabo de un cierto tiempo después del tralamiento Por ol ra parte, los daños ocasionados a [as membra nas de los orgán ulos celulares, faciltlan las reacciones enlimátic:as ya que enumas y sus· tratos pueden Interaccionar libremente. En el caso de [os microorganismos, la ra· dionesistencia es muy diversa dependtendo de múlltples fa clores entre ios que se encuenHa la especie, e Incluso la cepa conside rada El estado fisiológico tambi¿n condiciona la respuesta, así la mayor radiosensibilidad se muestra en la fase e:cponencia[ de crecimiento, decrece duranle la rase eSlacionaria y es mínima en la fase de latencia. Otros fa ctores determinantes son la composición del medio en el que se encuen· tran y ¡~ eoRdtcicnes de t:-::!]ffilento (la temperatura, presencIa o ausenCIa de oxigeno, etc.). De esta rorma, las temperaturas elevadas aumentan la radiosensibllidad y algunos microorganismos resultan más aiectados cuando se encuentran en un alim ~ nt o can un cant~nldo elevado de agua Cuando se Irradia una poblacrón de microorganismos con una dosis detertn.loada, sólo una parte de hu células resultan dañadas o mu~ren Con el incremento de la dOSIS el número de nu· croo rganismos supervivientes disminuye exponenCialmente , de fonna sinular a lo que sucede en el tratanuento térmico. La radioseruibilidad inherente a un microorganismo está caracteriza · da por la doSIS necesana para descrulr el 90% de la población inicial (valor D). Este paráme. Iro puede lomar diferentes valores en función de las distintas condiciones ambientales. En el cuadro 9.7 se recogen algunos de ellos. De forma genérica, se puede decir que las bacterias esporuladas son m~bo más radlorresislenles que las lonnas vegelallvas. Entre las bacterias Gram oegatlvas los !éDeros Atromo-
181
/las, PrO/tUS, Suroria y V, ~rjO son muy radiosensibles; E,untrich,a. Sal,-"o fltlla '! Shigella 10 son algo menO!, siendo los g~neros Aci/le/obac_ ter y Mora:u fla los más raciiorresislentes de esle grupo. Las bacterias Gram pa;i tivas presentan una raciosen-sibilidad muy variable. Dentro de este grupo se encuentran micrc"rganismos con ele. vada radionesis!encia como Srrep:ococcus faecium, Cfostn"dium
bo(IJ.fim ~71,
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perfri/lgerrs y
Micrococcus radiodurans. iiendo este último el más radlorreSIStenle de las bacterias ~·egetatl_ vas, soportando Inclu.so do!is que destruyen las formas esporuladas. Aunque la sensibilidad de los mi.:roorganismos es muy dispar, las imestigaciones realizadas han puestO de manifie;to que la aplicación de doSIS relativamente bajes de irradiación permilen mejorar, de forma considera ble , la calldad higiénica de tos produ(;lO$ tratados. Esto es especialmente rele\·an:e ce. ciertos casos, entre los que podrfan mencionarse los tnuamientos de canales de aves, donde [3 contaminación con $almonelas supone un riesgo sanitario elevado. La aplicación de dOSIS pró:cimas a 2.5 kGy a baja temperatura (alrededor de 5 oC) no ocasiona modifi caciones organol¿pticas y reduce el ntime;.:) de salmonelas de forma signifi cativa, aunque este tipo de tratamiento DO garantiza que el producto esté totaln,e nte libre de estos rrucroorganismos. Resu.ltaaos similares se hao ob tenido en estudios realiz.adO$ con SUlpnylo· coccus aUfeus, en los que se ha conseguido disminUir conSIderablemente el nesgo de tOlliinfeCCIOnes de este origen En el caso de Cl. barulillum y de CI. perfrmgenJ, dada su radiorresistencia, es aconsejable .;ombinar la irradiación con la aalicación de calor. Hay que tener en cuenta que el tratamiento ionizante no destruye las toxinas microbianas y, en consecuencia, la irradiación no es válida cuando éstas se encuentran presentes en los alimentos. La flora alterante (en la que son frecuenteJ las bacterias Gram negativas) se reduce de (orma considerable con dOSIS comprendidas eatre 1 '! 3 kGy Por otra parte, es habitual que eo-
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tratamientos con dosis bajas de irradiación se encuentren los peneneClentes al gl:nero Laclolo que resulta, en especial, beneficioso para los productos cárnicos. Lo! hongos presentan una radiorresistencla similar a lu formas vegetativas bacterianas. ffitentnu que las levaduras son más radiorresls(entes. Los vinu son 10$ microorganismos con ma)'or radiorresistencia. Sin embargo, dada Ja mayor complejidad de su material genéllco. too dos los i:uectos y parásitos que pueden contener los allmenlOS son muy radioselUibles. Por ello, en muchos pafses $e utiliza este tralamien · to para la destruCCión de agentes como T,¡ch¡-
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diClOS para sospechar que estos fenómenos puedan suceder a dosis moderadas.
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Entre algunos ¡m'estigadores eXiste una especial preocupación ante el empleo no contra· lado de los tratamientos ioniuntes y la posibi. lidad de que htos provoquen mutaciones en los microorganismos que incremenlen su viru· lencia, den lugar a nuevos patógenos o cam· bien sus caracleristicas dificultando su identlfl' cación posterior. ~o obstante, exmen pocos in-
9.3.2. Efecto "(1 /o colidad nvtncionc:f yen Jos coroct",ísticos orgonolép&Ol de 105 alimentos Er. !a irradiación de alimentos se impone un control preciso del tratamiento aplicado. Aunque las fuentes de Irradiación utilizadas sean [as recomendadas (cuadro 9.ó) y no se presen· ten fenómenos de radlacuvidad inducida. la composición química de los alimentos, como y¡ se ha menCIonado, puede verse alterada en mayor o menor grado por el efecto primario y se cundario de la madiaclón. Es interesante considerar que el c(ecto de una determinada dosis de irr¡diaclón es mucho mayor cuando se aplica sobre compuestos aislados que cuando éstos se encuentran asociados en la matriz compleja y claramente protectora de un alimento. La densidad y la viscosidad del medio condicionan el grado de migración de los radicales libres y
I~ posibilidaj d= r=a::ión con OCros compuestos. En un medio fluido, y cuanto mayor es el contenido aOJOso, el efecto de la radiación IC ¡eneraliza C('n mayor facilidad . La presencia de oxfgeno y las elevadas temperaturas acentúan el efec! ) de la irradiación. La reducción de la temperatura es un excelente procedi. rnJento para rlisrrunuir la formación de prodUi:tos radloUticos. Todos aquellos factores que pueden modifIcar la velocidad de !as reaccIOnes quimlc.u del efecto ICcundario. como el pH o la adición de distintos aditIVos. tienen que ser considerados BaJo este COnteXlO, la presencia de secuestrantes de radicales Iibr!5 (prole:to· res) amortigua el efecto de la IrradiaCión. mient ras que la e)(islencia de metales y sales (sensibihunles) potencia el grado de allera· clÓn. Por otra parte, la naturaleza del envase o del coq;enedor es otro parlimeuo que se ha de tener en cu::nta, puesto que puede modificar la dosis de irradiación aphcada al ahmento. Una buena práclica de irradiación debe compatibihzar su capacidad para prolongar la vida util de los alimentos con el minimo efecto en 105 componentes del mismo (radIOllsl$) para evitar pérdidas en el vllor nutritivo '1 en la cahdad organol¿ptlca de los alimentOS Se hl bara· jada la poslbihdad de que algunos de los productos radioliticos, como sustancias de nuel'a formaCión ale nas a ta composición inicial dd alimento, podrían t::ner efectos nocivos Para asegurar la inocuidad de los alimentos irradiados se han reahudo numerosas investigaciones en las que han panicipado u;¡ g.an nÚr:lero de países. En estos Habalos se ha estudiado el efeCIO de dietas irradiadas a dislintas dOSIS en animales a 10 largo de varias generaciones. A raíz de los resultados obtenidos en estas expe· riencias , el Comi t~ Mixto de Expertos FAOI OJEAlOMS y la Comisión del Codu A{¡mtnta· rius consideraron que los tratamientos con do· sis de radiación iguales o inferiores a 10 kGy no representaban ningún peligro pa ra la salud humana, asegurando la inocuidad de los alimentos así tratados. A estas dosis, la preICncia en el ati· meDIO de productos de radio!!sls es mír.ima. Se
estima que la cantidad de susr.a.ncias de nueva fonnaclón qu~ pueden aparece. ea un kilogra. mo de alimento con una composición modelo (80% humedad , 6,6% Ifpidos. 6,6% glucidos '1 6,6% proteínas). tratado con una dosis de Irra· diación de 10 'rOy. es infenor a los 20 mg. De acuerdo con la norma general del Codtx AI,mtr.l.arius. los alimentos Irradiados no de· ben someterse a un nuevo tratarmento de esta naturaleza. a excepción de aquellos con bajo contenido hídrico (cereales. leguminosas. alimentos deshidratados> produ::tos Similares) Sm embargo. la dollS total d= radiación ionizante requerida para conseguir un determinado efectO puede aplicarse de forma fracciona· da De esta fonna. pueden irradlane alimentos con un contenido mfeTlor al 5% de mgredlentes irradIados o cuando los componentes se han tratado por separado a dosis bajas (S 1 kGy). En todo caso, La media global absorbida com.o consecuencia de una Irradiación repetida no debe exceder los 10 kG)!. Las modificaciones químicas ind ucidas por las radiaciones loniunles alteran, en mayor o menor grado. la calidad organolépuca y nUlntlYa de los alimentos. La magnitud de los cambios oro !anotéptlcos indUCidos por la radiaciÓn depende, prinCipalmente, de la dosis absorbida. Parece ser que eXIste una dOSIS umbral por debajo de la cual los cambios no son detectables. mientras que dosis elevadas de madiación causan modificaciones del sabor, color y textura que pueden hacer al alimento mlccptable. Estas alteraClo, nes. Sin embargo. pueden mInimizarse Irradian · do el alimento enl'asado al vado o en atmósferas modificadas, en estado congelado o en pre· sencia de antioxidantes; es deor, siempre que se reduzca el efecto ICcundano de la irradiación. Una de las alteraciones organolépticas más aracteTÍSticas es la aparición de un olor ylo sao bor típico a radIación. Este hecho se debe, fun· damentalmente, al efecto del proceso de la ra· diolisis en ¡ípidos y proleínas. En los pnmeros'"Se potencia la formaCIón de perÓXIdos e htdroper. óxidos con la consiguiente producción de alde· hídos }' cetonas volátiles que modifican el aro-
184
Tecnolog;a dtt 101 AJim~ntoJ. (1) Componen/eJ de IoJ a/i7len/oJ y proceWJ
ma. En cuanto a las proleínas, una de las causas del mal olor deriva de la posible liberación de sulfuro de hidrógeno. Por estos efectos, la ¡rradiación no es conveniente, incluso a d05;s bajas, para el pescado graso y únicamente sedan ade· cuados tratamientos muy ~aves para la leche y productos derivados. En el caso d~ la carne, la irradiación produce un cambio de sabor más acusado en los cort~s magros que ~n aque1!o5 con un conlenido elevado de grasa. Estas alteraciones son menos manifiestas en I:! came de cero do que en la de \'acuno, posiblemente debido al mayor contenido de grasa de la primera, ESle reguSIO es más pronunciado inm.::diatamente despu¿~ de la madlación y decreeo:: o incluso de· saparee~ durante el almacenamiento o después de cocinar el producto. Efcolo; también puede verse afecudo. Así las carnes irradiadas con dosis superiores a 1,5 IcGy presentan un cierto oscurecimiento. Por otra parte, puede intensIficarse el pardeamiento eaz.imático como consecuen· cia de la liberación de enzimas de orgánulos celulares debido a la alleración de sw membranas, lo que facilita que.sustratos fenólicos se pongan en contacto con polifenoloxidasas. Es frecuente también que se produzca una disminUCión de la viscosidad, como ocurre en la clara de huevo y en sopas y salsas elaboradas con almidón tratado por irradiación con dosis superiores a llcGy. En frutas y honalizas se producen cambios de textura derivados de la pérdl' da de fumeza del tejido vegetal que conducen a un ablandamiento del producto y a un incremento de la permeabilidad de los ITUsmos. Este efectO se debe a la despolimerizaclón parcial de los po[isacáridos de [a pared celular (celulosa y pectinas) y a la alteración de la membrana celular (en e3pecial del componente Jipídico de la misma). El ablandamiento no se presenta de in· mediatO 3inO al cabo de varias boras e incluso días después de recibir la irradiación. Esta modificación puede utilizarse coa cienas ventajas tecnológicas en alguaos procesos, aunque también limita la dosis pennisible ya que a menudo acelera I~ fenómen03 de descomposición. Bajo este aspecto, en aJguoas variedades de patatas
someti::las a irradiación se ha observado un mayor oscurecimiento durante la cocción. Al Igual que otras modificaciones produci. das por la irradiación, la pérdida de nutrientes depende principalmente de la dosis absorbida y de la¡ condiciones en las que se realice el Iratamiento_ Las investigaciones realizadas h3S!:l la actuJlidad indican que el valor nutnuvo de· riv3do de! apone d~ ma:cronutrientes no se modifi:a significativamente en los alimentos irradiados con las dosis recomendadas. Así, di· versos trabajos afirman que el valor nutritivo de las ?foteinas en los alimenlOS irradiados es Similar al que ttenen cuando reciben un trata· miento ¡¿emLCO equi~alente. Los datos existentes sobre el efecto de irradiación en los micronutrientes son diversos. La vitamir_a O, la riboflavina y la niacina son bastante radiorresistentes, sin embargo las vitaminas A, BL. E Y K son mucbo más radiosensi· bIes. Puece ser que las pé;didas de vitamina sc han sobreestimado ya que el ácido ascórbi· ca sc OXIda a dehidroascórbico, el cual es igualmente acttvo. Para mitigar estas pérdidas. cuando se utilizan dosis cercanas o supenores a los 10 kGy. es necesario lomar medidas de protección como puede ser tratar el producto a baja temperatura y envasado al vacío.
e
9.3.3. ;'plicoóon en le Indujlrio AJimenlorio EltVlarniento por irradiación. ya sea solo o combinado con otros tralamientos, ofrece ciertas ventajas en comparación con los métodos cláSICOS. entre las que pueden destacarse la poSibilidad de tratar alimentos dC3pues de envasados y la de conservarlos en estado fresco durante períodos re lativamente largos. Este tratamiento requiere, sin embargo, mayores medidas de control y seguridad y su elección de~ bacerse cuando, frente a otras formas de procesar los alimenlos. las ventajas sobrepasen con mucho a 135 desventajas. La irradiación de alimentos sólo incrementa ligeramenlc la temperatura de éstos, por lo
Capiluk. 9; Uttlizodón de rcdirx.ioneJ .I&CIromognericaJ tanto puede utiliurse filfa destruir microorganismos en alimentO! c(,ngelados sin que éstos cambien de estado. Ad ~más, la mayoña de los materiales utilizados er. el envasado de los alimentos, incluso aquellos que no resisten los tratamien tos térmico!, tienen un comporta· miento adecuado frentl' a las radiaciones ioruuntes en las coodicior,es de ulilización de la Industria Alimentaria (cuadro 9 8). Inicialmente, los Ira ·amientos con radiaciones ionitantes se clasilicaron comparándolos con 105 tratamientos termicos tradicionales y teniendo en cuenta la dosis de irradiación aplicada. De esta forma, se definieron los siguientes términos:
a) Radapurilación, :uando la. dosis apli:adas son sufiCIentes para reducir el mimero y/o la actividad de los microorgams· mas viables :1asta conseguir la esterilidad comercial (na a!
CUAO«l 9.8 Cembie. ptcYOCodel po< ,lTe¿¡ee;cn ,~mer...- ... I•• d, .n"",lOdo
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185
e) Radurilación, que consiste en aplicar dosis de radiación IOnizanre que no alteran el producto y reducen sensiblemente la carga microbiana alterante, con el fin de aumentar la vida útil del alimento. Las dosis nece~arias estan comprendidas entre 0,4 y 10 kGy En la actualidad, se prefiere rea lizar una clasificación de acuerdo con la dosis empleada De esta torma, se consideran tratamientos con dosis baja (hasta 1 kGy), con dosis media (de 1 a 10 kGy) Y con dosIS aIra (de 10 a 50 KGy). Esta clasificación permite agrupar con mayor exactitud los efectos r objetivos conseguidos. El cuadro 9.9 recoge algunas de las aplicaciones de estos tr3t.1mientos. Para cada aplicación existe una dosis mínima por debajo de la cual no puede conseguir.;e el electo que se pretende. La radapertización, al igual que la aplicación de altas dosis, son tratamientos !la avala. dos por las recomendaciones del Comité Mixto de Expertos FAO/OIEAfOMS y la Comisión del Codex Alitnenrarhu. La aplicación de dosis bajas o reducidas, inferiores a 1 kGy, con escaso efecto sobre las caractensticas organolépticas y nutritivas de los alimentos, aporta considerables ventajas tecnológicas. Estos tratamientos son válidos para impedir que aparezcan brotes en [os tubérculos de patata y batata (0,08-0,14 kGy), cebollas y ajos (0,03-0,12 kGy) y jengibre (0,0.;..0,10 kGy), así como para inhIbir la germinación de las castañas (0,20 kGy) como una alternativa a los inrooidores químiCOS como la hidrazida del ácido maleico. La irradiación comercial de patatas lleva practicándose eo Japóo desde 1973 con gran éxito, de forma que está prohibido el empleo de tnhIbldores químicos de la gemUn8cióo. De la misma forma, muchos países (AJemania, Bangladesh, Chile, EspaDa, Hungría, Israel, Uruguay, Tailandia) penniten el cntamieD(O iodusrrial de rubüculos (dosis .s 0,1.5 kGy) y de ceboUaJ y ajos (dosis .s 0,08 kGy). u aplicacióD a la cebada de dosis compreDdidas entre 0,25 y 0,50 kGy retrasa notablemeDte el crecimiento
DOSIS IEDUOOA. le IlGyj lMibor ¡lmM_iOn
O.O.s.o.1 S
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de raíces durance el malteado. De esta forma. se obtiene malta de gran calidad y se reducen las pérdidas debidu a esa causa. Por otra parte, doSIS muy pequel'ias de irradiaciÓn (0,Ol-O,10 Ic:Gy) estimulan la germinación de la cebada, lo que permite acortar el proceso de maheado y aumentar la capacidad de producción. 1..1 irradiación con dosis relativamente bajas (infenores o iguales a 0,50 kGy) permite elimi· nar los insectos que con mayor frecuencia dañan los cereales, incluso los huevos deposita. dos dentro de los granos. Este mismo objetivo puede conseguirse en frulos secos, hortalizas y pescado seco (aplicando dosis de 0.2-0,7 kGy). La desinseclación por irradiaciÓn comenzÓ a realizarse a escala industrial en la antigua Unión Soviética en el año 1980, al entrar en funciOnamiento en Odessa una planta de ¡rradiación electrónica para Iratamiento de granos importados. La desinsectación por irradiación puede contribuir significativamente a mejorar el cl}í.lerdo de muchos produc:os tro¡:licales 'j
subtropicales (cilncos, mangos, papayas, etc.), al ehminarse el peligro de difusiÓn de plagas. La irradiación permite inacth'ar cienos oro ganismos parásitos patógenos tanto para el hombre como para 105 animales. El nematodo T,ichi"tIla lpi,afu se deslfuye con una dOSIS mínima de 0,15 kGy. Olros parásitos, como las tenias del ganado vacuno y del cerdo, el prolozoo del cerdo que causa la toxoplasmosis y d i· versos nematodos que infectan al pescado se eliminan con dosis inferiores a 1 kGy. Las dosis bajas de radiación son igualmenle válidas para retrasar la maduración y el envejecimiento de algunas frutas y hortalizas. Dosis comprendidas entre 0,3 y 1,0 kGy permiten prolongar la conservación de los mangos en una semana y en dos en el caso de los plátanos, 1..1 magnitud de este declO depende de la dosis y del grado de madurez alcanzado en el momenlO del tra!amiento , Demorar la madura ción de setas y espárragos requiere dosis algo ma)ores, entre 1,0 y 1,4 kGy.
Con fines tecnolóflcos pueden utilizarse dolis medias (eDtre 2 y 7 kGy) para redUCir el tiempo de cocción de lesumbres (h¡bas , . udíu). aumentar el rendimiento de extracciÓn de zumos en las frutas y acelerar el proceso de deshidrataciÓn de frutas y ve.!!etales Uno de los principales objetivos de la ;:-:a dlaciÓn d~ ahmentos es la destrucciÓn de mi· croorganismos patÓgeno, y alterantes, auncue la doSIS de irndlaclÓn requenda para ello es, en muchos casos. demasiado elevada (supt.nor a 10 IcGy) . Sin embargo, los tratamientos tOn dosis medias (comprendidos entre 1 )' 10 lcGy) permiten p.olongar considerablemente el tiem· po de conservación de dlyersa.s frutas . carne . pescado}' manscos y mejorar su calidad higié nica . La combinación con otros Sistemas de conservación (envasado al vado. tratamIentos ténnicos) permite conseguir mejores resultados con dosis inferiores de irradiación Tratamien · tos entre 2 y 7 kGy se hao utihudo para reducir la tasa de bacterias patógenas no esporuladas (Salmondla. Campylobaclu, Lu/tna. Yersinia) en carnes de mamíferos, de aves, pescado, gambas. ancas de rana, etc. Estos productos suelen irradlane congelados para mtnimillr las modificaCiones organoléptic.ls Con dosis de irradIación comprendidas enne 3 y 10 kGy es posible descontaminar especias. condimentos vegetales secos, hierbas. almidón, concentrad os de proteínas y preparaciones entimáticas comerciales utiliz.ados en la l nd uslria Allmentana, que suelen presentar una elevada carga tan:o de agentes alterantes como de pa· t6genos. Sin embargo. los tratamientos de esterilitaci6n industrial por irradlaci6n, requieren dosis elevadas desde 10 hasta SO kGy. los tratamIentos de descontaminación a do· sis media e incluso elevada se utilizan, en d¡ versos países. cada yez con más frecuencia En los Parses Bajos se Irradian cantIdades conside· rabies de gambas, camarones y ancas de rana a dosü de hasta 4 kGy, .si como alimentos deshidratados. En Francia se lleva a cabo la madiaci6n de bloques congelados de carne de ave deshuesada mecánicamente. En Ca:13d! se
practica a gran escala la IrradIación de carne fresca de a\'e. En Argentina. Brasil, Dinamarca, Estados Unidos. Finlandia, FranCIa, Hungria, Israel y Noruega es una práctica habitual la irradlaci6n de especias En algunos países. los envases empleados plU la leche, productos lácteos}' zumos de COD.5et'lacÓn prolongada se esterilizan con rayos gamma a dOSIS comprendidas entre los 15 y los 25 kG)" En Alemania. Países BalOS y Reino Unido se ha aprobado la estenhzaclón por IrradIaCIón de la comIda de pacientes hospitalludos Con problemas de in· munodeficiencia. La IrradIación de alimentos puede ser espe cialmente ulll en las tonas troplc.lles, donde las condiCIones climáticas favorecen el detenoro rapldo de los allmentos_ En estos lugares, las pérdidas debidas a la proliferación de in· sectas y hongos, , la germinaCiÓn y a la apanción de brotes pueden superar el 50% de la prodUCCión El tratamiento con- radiaciones requiere, además de personal cualificado y de un equIpamiento sumamente especialiudo. et desarrollo de un sistema legislatlYo que garantice la correcta apltcación del proceso. Muchos paises en desarrollo carecen de los mecanismos JurídIcos y de una reglamenta.::ión que determine los alimentos que pueden irradiarsc, los objetivos del tratamiento, la dosis de irradiación que puede uuhurse en cada caso y las nonnas de segundad requeridas. Por OHa parte, se neceSIta determinar el upo de mformación que debe figurar en el etiquetado de estos productos En este contexto, la Norma General del Codrx AI!mtnCiUiw para el Etiquetado de los Alimentos PreenvasadO$ establece que en [a etiqueta de los alimentos tratados con radIaCión ionizante debe figurar claramente este tratamiento, El desarrollo de pruebas para detectar y cuantificar la irradIación de los alimentos es un requisito esencial para eSfablecer un conuol legislativo y potenciar la aceptaci6n de este tratamiento entre los consumIdores Se conocen dIversos métodos basadO'S en ta detección de los cambios qufmlcos. fislcos v biológicos que expc·
'88
kcnolog¡a de los A1imenkH. (t} Compoflenre.J eJe los a{imenloJ y prcxews
rimen tan los alimentos cuando se someten a el' :e t;po de tratamiento. Sin embargo, ninguno :le ellos resulta fiable para. cuantificar el nivel Je irrad iación y no son igualmente válidos pa.ta. :OOos los aliment03. En el cuadro 9.10 se cita el 'undamemo de algunos de estos m~todos. En la Iccualidad, la t:cnic:! más precisa es la espec· I:-oscopia de resona ncia paramag.'1ética electrÓ' nica y de resonancia magn~tica nuclear.
Cu.o.c«l 9. 10........ _0. ~I,hoo". poro.., ","occiOtl
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~.3.d
Fuen/es y planla de (adiación
Como ya se ha mencionado, no todas las ra· ,j iaciones ioouantes pueden utihzars~ .:n el tia' -.!miento de alimentos; algunas porque no tie· nen el suficiente poder de pene:ración y otras por su elevada energía. A estas limitaciones ha· bría que adadu la neceSIdad de disponer de SIS' temas eficaces y económicos que permitan obte· :ler fuentes de irradiación en c.lJ.,tidades sufi · ,;:entes para llevar a cabo el tratamiento de alimento.s a nivel industrial. En la actualidad, se dispone de aceleradores.de electrones o fuentes mecánicas de radIaCIón y de radionúclidO$ artificiales que satisfacen los requisitos anterior· mente mencionados. El Comité Mixto de Ex· pertas de la FAO/A IEAlOMS y la ComIsión del Codu AfimcmoTlus recomiendan como fuentes de irradiación de alimentos los rayos gamma de los radionúcüdos 6OCo o C"Cs. los ra· )05 X generados en equipos coo una energía isuaJ o inferior a 5 MeV y los electrones generados en aceleradores con una energ.ía Igualo inferior a 10 MeV (cuadro 9.6). los naces de electrones acelerados permiten tratar los alimentos 01 bajo coste aunque tienen el Inconveniente de tener un poder de penetración !imitado (de 5 a S cm). Para subsaoar esta defiCIencia, los ali· mentas pueden irradiane distribwd05 en finas capas o realizando un tratamiento bila.teral. Otra ventaja de e,tos equipos es la posibtlidad de conectar y descooectar la fuente de: irradiació n a voluntad, as! cnmo permitir el cOlmol preciso del tratamiento aplicado, la seguridad de uso y su elevado rendimiento cnergético.
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Los rayos X, a dIferencia de los electrones acelerados, ,jer.en un gran poder de penetracIón. ~in embargo, la conversión de la energía eléctrica en C3te tipO de rayos es un proceso de escaso rendimiento, por lo que no reSlolta eco· nómicamente renta ble su ulllización para d tratamiento de alimentos, aunque ¡e están di· señando nuevos equipos más ecOnÓmICl)s. El 6OCO se produce exponiendo el isótopo aatural "Ca a la acción de neutrones en reactores nucleares. Por tanto, está disponible en grandes cantidades y su coste es aceptable; es, por ello, el radionúclido mis utilizado en la industria Alimentaria. EIIJ7Cs, es un producto se· cundario del reactor nuclear 'u uso no está extendido por el momento debido, sobre lodo, a
que ia óispombl:idad dd rrusmo el> limitada) .. que su extracción es COstosa. Los rayos gamma desprendidos por los radionuchdos en su desUllegración tienen un poder de ~ne[fación ade· cuado pa ra ellratamiento de alimentos y pennilen eratar induso grandcs contenedores. La actiYldad de estas fuentes se mide en bequerehos (Sq) y las casas proveedoras deben lDdlcaIla. Durante el proceso de irndlaoón se expone el ahmento a la fuente de energia de manua que absorba una dosis precisa y específica. Pata regular la dosis absorbida es necesario consi· dera r b producción de energia de la fuente por unidad de tiempo, la distancia entre la fuente y el producto y el tiempo de e'
lo.:ali~¡: .. ruen¡ de las emacegias que pueden util.izarse pan. e\1W que los puntos de acceso a la c!ma.ra de trradiaoón permitan el escape de radiación. ParJ m:lyor seguric!ad.1:1 dmau de irradiacióa presenta una presión ambienta! infenor a la del confinamienlo en la que se encuentra I~ ahzada y la de éste es a su vez irúerior a la del ""n:::mtc exterior. De esta (orma se establece una cascada de presión, que evita que cual· quier pérdida de radiación llegue aJ exterior. Para que la irradiación de alimeclos resulte económicamente rentable se requiere que la cantidad de alimeato tralado sea elevada. La mayoria de las plantas de irrlldiacióQ de alimentos están ubicadas en un lugar Cijo, sin embuio
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tambi~n existen equIpos móviles. Ea muchos países en desarrollo, la producción agrícola estJ descentralizada y los sistemas de transpone DO permiten agrupar los alimenlOS a l. velOCidad necesaria para poder somelerlos a Irradiación en grandes lotes. En estas circullstancias, la solución está en el empl~o de peque"as instalaciones de Irradiación móviles y versitiles, con distintas posibilidades de aplic.ción. Los ICTadiadores móviles son, también, útiles para el tratamiento de productos en aha mar inmedIatamente después de su captura. Estas uUIlla· cienes requieren revisiones frecuentes con el fm de mantener los niveles precisos de segundad y todavfa es"'n en fase de desarrollo. El cOSle de estos tratamientos oscda en un amplio margen en virtud de la cantidad de fac· tores implicados, entre los que pueden CHane el tipo de fuente, la clase de ins talación, el transporte del produclo, el envasado espedfi. CO, los tralarnlentOS suplementarios (congela· ción o calentamiento) y los alimentos tratados. Las plantas de irradiación de alimentos estin su¡e las no sólo a la inspección correspondiente a todas las instalaciones de procesado de ahmentos, sino también a la reglamentación y supervisión de los organismos gubernamenta· les responsables de la inocuidad de la apilcación de la radiación ¡onlzante. Este doble SlSte· ma de inspección tiene como objetivo garantizar la ausencia de riesgos para trabajadores, consumIdores y medIO ambIente Entre otras
medidu, la norma ¡eoeral del Codex Alimelfuut!U para alimentos irradiados eHablece ta necesidad de disponer de regimos adecuados de dosimelrla y de deteaores i.1dividuales paca el personal laboral El control se ejerce: de conformidad con el C6digo Internacional recomendado de prácticas pa:a el funcionamiento de instalaciones de irradiación utiliudas para el tra.amlento de alimentos.
Bibliogrofio BRENN .... N, 1 G , BUTTERS. 1. R , COWELl.., N D YLILLY. A E V (980): i..lu 0IHf'Xior.a dt la inlfl1lUfo dt 101 ,,1,mtnIOS.!.' ed ..... CriOII. Zarlgoza . BUFFLER, C. R. (1992): M, cr()WaVl cooklng and ProctSSUlf Englllttfllll fiUldt.llntnlOls for lAr: foad scitlltls/ AV! Book. US..4,. FAO (1989): L4 ¡rradlacl6n d, 101 alinttnlol. TIc",áu pora CONt""ar ,p,ar:tyat (a U!ocW:dad lk /os al~n/OJ OMS Glnebrl. FELLOWS. p (1994)~ Ttcno(ogro del p~ado tÚ los alimtll/OJ. P"~lplOl y prdcllCas . .... cnbla. Za ·
ragoza. G1ESE. l (1992): dvancu in Micro_.ve Food Processin¡". F()Od TtCMolog)·, 46 (9): 1 \S-I2J REUTER, H (1993): A.stpt.c Procr:JSt.IIg of Foods Tcchnomic Pubhshinl CO.Ir.c. uncaslcr. SATIN, M. (1996): Foad ,rradio(lon. A gUldcbook.. Tcchnomlc Pu!lIi.$1:.1II1 ca .. Inc. unClSter M ....
RESUMEN lOI
rodiac;Iones elecrrOlTlOgn.'¡col no iOnlZontel
con disrinlo poder de penetración 14 yl,l¡zon poro senelor colot po. dife,e"lel rn.con ilrnOI y Ion \o bose de vo rios sislemos de collfllomien!o
{infrorrojo, microondos,
d¡~écl",:o
y óhmjco!
2. El co/.fllamltnlo por i,,(rorr%J es uno formo de lronltnisi6n de color Ifl le q~ le OlMdad de energ::¡ rodien:! Irc",ferido er.lr. d01 , ... ~rft.
elel depende de 101 le""p«otulol. dillribvciontl seome!riC01 y emilividode¡ de ka mismOI. to rodioeian inlrorrojo prodyu yno cierto vibrociOn en 101 enloces Inlro- • ¡nlermo!ecylores de los componen/es de Ie, olime"lOs qye se treduce en yn inr;remenlo de le Il"ITIpe ra/ul"o Sy capacidad de pene/roción es elCOIO, POI lo que 1U efeocto 14 ~mi!o o le superficie; el rtllo del al ~ menlo SIl caliento po!' COndUCCión o pc>I con...c·
92
Tecnología de 10J Alimento,. {f} Componen/eJ ¿e lo, alimenlo, y proceKH
clan lo energia mirorrala r,ene mlfT leraKU ap:;. caciontlJ en lo Indl,lslfio A1imentorio como de5rruco:i60 de enzimos y micrOOl"gam~ma¡, :Vsi':'n de grosos, deshidratación de alimentos, ~ . Es· to ¡Orino de 'colentomiento permire IllOdi~cOT ka coroclerislicos JensQfioles de los ol¡,.,.nlos y se utilizo en fas procesos de hornead" alado, ros.:odo y cocdÓn.
°
J . lo colefacci6t! pOI microondcs (915 MHz poro lo bajo frecuencia y 2.450 MHz pOlO la abo) es uno formo de g.neror color denyoca de lo dis· torllón creado en los compon.nte! de los di· merllos por lo irlcidenci~ de un can;po electnco ollerlla . Elllre las apliccciones de lo erlergia mI' croon¿Cl1 se encuentrall el olllmpero JO de carne y pescado, lo dliuhic!roroción de po:,ra y opeli/~ vos, el precxinodo de beicon, fXilb y hambur· guesas y lo poS/erizoción y esreril,zc ción d. dis· tiMOl productos. 4 . El colen/amienlo dieléctrico s~ define cama 1(1
colefccción ¿e \.In mcleric:1 c islcnte .. Iéc!"ricc cor los pérdidos que se predI/un I n é: cU(lI1do' se le somete o Uf"! campo eléctrico alterno (entre ¡ y 300 MHz). S. ha emple
'rI
5. El calenlOmienlO 6hmico se produce ~on¿o uno corrienle IJléctrica poso o lJav,h de un praduc10 conductor de lo ~¡eclric idod. Se recurre el er... pie<) de corriente alterno de boja frecuencia (50. 60 Hz). Puede util j zars~ poro lo eJlerijizoclón en continuo de alimentos portiCU'odCI (compuesros por uno íose liquido y UIlCl hJ$e ,ólida) y de productol yi1COSOS como sols05 de que~o~ y postres lócteos, esi cemo poro .1 procesodo tirmlCo de fr.utos enlerOI de pequeno ~moñc: . 6. El COfenfOmienfO por indvc.cu;n le consigue pof" lo corriente inducido en un malerial por I,In campo mognenco alterno. En Jo Inc:!usrrio Alimento-
ri.;! w \t.i!¡:¡:: en el t:=~::~:en!::> ~.:I:r.cio ~<;;xineJ y hornos de inducción).
7. En los Irotomienlol d. irradiación se recurre 01 empleo de ondol electromogn,ticos ionizontes de fr~uencio limirado y de hoces de electrones de boja energio. Como ruentes de irrodia
8. ~o Irllenlidod de lo rodiolisis depende de lo composición del alimento Irotodo, de 101 condiciones de procuodo y de lo doS'j d. radiación ab,orbido. Se considero que los trotam ientOj con dos;s de rodioción iguolel o inferiores o la kGy no represen:c,' nin¡;un peligro pero le solud, asegurandose lo inocuidod de los olimenlos oli Ira/odas. 9 . les ::>;::Jic:lcion!l de lo irrediac;ón de olimen/os scn.muy diversos Con dO$is reducidos, haSIO 1 kGy, se puec!.e inhib,r la germ inación, relrosor lo maduración de frutes y hortalizas y eliminar inJIICIOS y parólitol. DmientOl tél-micos $uoYes.
1 () CONSERVACiÓN POR FRío
En este apílulo se defirw:n los conceptm de rdrigención r cooge/¡a. ción y se estudia el efecto que tienen est~ o~nciones m los ;¡g~tn 01.1. tenflles, ~í como tu modifinciOf1es que tientn lugu en los OIlimentos durante \;1 ;¡pliCll.ción de lu mism¡lS. T;¡mbiin se describen ros principales sistemu paro¡¡ la producción industrial de frio y 1m métodos y equipos mis lubituilles que se emplun lct1Jalmente en la industri.. alimmtuiOl.l¡ descongelación r los mitodos ¡pliodos p¡¡n UtVilrla .. cabo se tnl;¡n en el último ~ign.ft.
10.1. Introduccion
este aso. a dite:e:::lC:ia de la aplica:ióo de caJor, el foco caliente es e[ aümento del cuaJ el calor pasa a un medIO elCtenor trio,
El empleo de baju temperaturu es uno de los m~tod os más antiguos para conservar los alimentos. Parece ser que los hombres prehistóricos !UlIdaban la can eotre hielo pan consu· mirl.. po5lenormente, y yl en el siglo VIII a. C., 10.2. Conceptos de refrigerocion y congelodon los chlOos mantenrao e[ hielo del in\ierno en cuevas o baJo lieml para emplearlo durante el verano La producción continua de (rio y su Aunque la refrigeracIón y la congelación se aplicaCIón en la industria .hmemari., iniciada basan en el descenso de [a temperatura de los en el siglo XIX. ha sido precisameole un. de la:s aliment01 pua prolongar su periodo de congrandes Innovaciones de la Tecno logía de los servación, existen grandes diferencias entre AJimeotos Este gran a\'ance permitió el alm.ambas. cenamt.oto y el transpone de los alimentos pePor refriguaci611 se entiende la reducciÓn y recederos HaCIa 1830 comeauron a desa..-roel manterumiento de la temperatura de los ali· liarse alg unas máquinas frigorificas Industria· mentos por encima de su punto de congela· les, instalándose a finales del siglo XIX en ción, siendo las tempe raturas más habItuales barcos para el transpone de carne congelada • las comprendidas entre 8- y - 1 ·C. Es decir. la refrigeración implica tan sólo cambios en el codesde Argentina, Australia y Nueva Zelanda a Europa, donde se recibía en excelentes condilor sensible del producto. Este descenso de la ciones. La disponibilidad de refrigeradores y temperatura rale nlÍza el creCImientO de los mi congeladores a lo largo de toda la c.dena .h· croorganismos. de las actIvidades metabólicas mentaria, incluyendo 101 hogares, ha mejorado de los tejidos animales tras su sacrificio y de los conSiderablemente la calIdad de los productos tejidos vegetales tras su recolección. de las reaccIones qufmicas y enzimáticas y de la pl!rdida retngerados y congelados. de humedad. Es imponamc señalar que, al no El efecto conser\'ador del (((o se basa en la inhibición total o parcial de los pnncipales ser muy grande el descenso de la temperatura, agenles responsables de la alteraCión de los todos estos (enómenos no se evitan completaaltmentos: el crec imiento y la actIvIdad de mente_ Es decir. la refrige ración de los ali menlos microorganismos, las actividades mctabólilOS alarga su vida útil dutante un periodo de tiempo limitado (ge neralmente días o semacn de [os tejidos animales y vegetales tras el nas) que depende, entre otros factores, de las ucrificio y la recolección, las enzimas y las reacciones quimicas. La aplicación del (río, en caracterísllcas del producto y de la temperatura de almacenamiento Esto es. sin embargo, sus dos importantes vertientes -refrigtroci611 y suficiente para que los alimentos muy perececOflgelocI611-. perm ite alargar la vida útil de los alimenlos , ya sean frescos o procesados, de r01 lleguen a los consumidores o a las industrias de transformación. durante períodos de tiempo relauvamente largos con una mfnima repe rcusió n en sus caracEn cambio, la congdoel611 supone un mayor terísticas nutritivas y organoll!pticas. Se amdescenso de la temperatura del alimento, hasta pira. por lo tan 10, la esfera de utilizaCión de la por debajo de su punto de congelación , teniendo en cuenta que en la mayoría de los a[imen· maleria pnma, tanlO en tiempo como en distancia geogrática_ tos [a congelación se inicia a temperaturas infe· nores a los O Para [a conservación a [argo La aplicación de frio se basa en una de las operaciones unitarias más empleadas en la inplazo, los alimentos se congelan y mantienen habitualmente a - 18 L. congelación impliduslria allmenlana: la tra nsmiSIón de calor. En
.c.
-c.
Capitulo 10: Conservación ¡xx frío
ca no sólo un cambio en el calor s::nsibl! del alimento, SIno que tambll:n es necesario elimi · nar el calor latente asociado al cambio de {ase correspond ie nte a la transformación de una parte del agua liquida en hielo. Este cambio de estado del agua es la principal diferencia entre la refrig!ración }' la congelación. Como consecuencia de la fomación de cristales de bielo, gran parte del agua se inmoviliza y no está dis· ponlble ni como d!solvente ni reactivo y la difusión de las especies quimicas está muy limitada. De eSta forma. se detiene el credrrue_n1o y la actividad de los microorganismos y se reduce notablemente la velocidad de las reacciones químicas y entimáticas. Es decir. el efecto glo· bal de la congelaCIón de una parte del agua del alimento es una disrrunución de la a. en la fase líquida . Esta reducida a •. junto con las bajas temperaturas empleadas, permite la conserva· ción durante períodos de tiempo bastante lar· gos (meses e incluso años). A diferenCIa de la refrigeraCión, en la que el metabolismo celular mantiene una cierta aClivid ad, en la congela· ción se detiene por co mple to. Por eso en 10$ alimentos vegetales es muy importante que anles de la congelació n hayan adquirido un grado de madurez adecuado para 5U consumo tras la descongelación. El termino u{¡faco ngdado se aplica a aquellos prod uctos que han sid o congelados lo más rápidamente posiole a -18 ·C y alma· cenados a una temperatura inferior a -18 .c. En eSlas condiciones se asegura una c¡lidad ópllma.
10.3. Refrigeroción y olmo ceno miento en refrigeroción La refrigeración y el almacenamiento en re frigeración es uno de los métodos más suaves de conse rvación. Los alime ntos refrigerados generalmente se consideran como frescos y de gran cal1dad , siendo ésta la razón de su gran aceptación por los consumidores
195
/0.3.1. Efecto de /o refrigeradon en /o
veIocidod de /os reoccione, químicos y enzimóticos y en el creclmien/o de /O, miClOOfgoni,lnOs La velocidad de las reac::iones químicas y enzimáticas disminuye logarítmicamente con la temperatt.:ra según describe la ley de Arrhenius. La refngeración. por lo tanto, reduce la velocidad de las reacciones químicas y entimáticas y permite controlar la pérdida de la cali· dad de los alimentos debida a la actividad fisio· lógica o a otras reacciones qufmicas: oxidación de lípidos, degradaCión de pIgmentos y vitami· nas, desnaturalización de proteínu, etc. Para d~sc rib¡r el efecto de la temperatura en la velocidad de los procesos químicos a menudo se emplea el coeficienle de temperatura o valor Q/i7' que se define como el cambio que experimenta la velocidad de una reacciÓn al v;uiar lO ·C la lempera!ura a la que se lleva a cabo: Veloc. de la reacción a temperatura T
Q10 ~~=i~~~~==~~ Veloc. de reacci6n a tempe ratura T·lO·C (10.1)
Para la mayoría de 10$ procesos qufmicos. el valor Q/~ oscila entre 2 y 3, indicando que por cada lO ·C de descenso de la temperatura, la velocidad de los procesos se reduce a la mitad o a un tercio. La temperatura es uno de los factores ambien tales más impo rta ntes que IOnuyen en el crecimiento y la actividad metabólica de los microorganism()3;, puesto que en último término dependen de enzimas (figura 10.1). La cerngeraci6n detiene el crecimiento de los microorganismos termó!ilos y de muchos mesófi[os (en tre los que se incluyen la mayoría de los patógenos de importancia en los alimentos) porque tienen un¡ temperatura óp tima de crecimie nto superior a las empleadas en este proceso. La temperatura m(nlma de crecimiento de la mayoría de los microorganismos mesófilos es
196
Tecnologia d. IoJ .Alimenta5. (I) Campo
Prodvcción de todnas en StilphyiocQc.:us y ClostridkJm botuIlnum tipos A y B Mulliplaci6n de Slaphylocoa;us
Multiplicación de Clostn"dJum bolullnurr.
10
j ,1
" S,,
3,3
•
I __- _
Producción de tox.,., en CIoslndium borulinum tipa E
_ _..._ Riesgo debido il crecimiento y actividad dll bilclenas 2usanles dé toxiin(<
allmentariu
...
Murtiplación de bacler.as
-,o
MulUplicación dO! levaduras
-12
Multiplicación de mo/'Ios
- 18 -20
I ____ i
•
Aeacdór1es químicas (su yelocldad es
lan lenta Que se cOrlSideril nula)
FlGl.JilA 10. 1. Relac ión enln! 1cJ terrperoluro, 101 reaccionel d. deterioro y el crecimiento y lo producción de to.Jno, de clgul'\O~ microorgonilmo5 de in rer.$ en·lol alimental.
la oc. Es decir, no representan un problema serio puesto que durante la refrigeración se emplean temperaturas ¡nferiore.$ aba. Los microorga.nismos psicrotrofos, que tie· nen una temper3fura óptima de crecim.ieoto entre 25 y 35 ·C, pueden multiplicane a 5 GC o a temperaturas inferiores.. Es decir, ésto.s son los dominantes y los principales causantes de alteración en los alimentos refrigerados (carnes, pe:;cado.s, lecbe, ete.). Entre los géneros más importantes que cuentan con especies de bacterias psicrotrofas se pueden citar PseudonwfItU, Alco-
ligenes, Erwinia, Coryneoocterium y FlaYaboC{e· rium. La mayoría de las levaduras y mobos tarobi~n son psicrotrofos. Aunque los tiempos de generación de estO$ microorganismos psicrotro-fos soa relativamente largos, su metabolismo es bastante activo a temperaturas de refrigeración. Es de destacar la prodllcción y actividad de eazima5 !:Lidroütic.a.s (como pro(ea5as y !ipasas) responsables de problemas tecnológicos yalteraciones organolépticas en leche, carne y pescado. HabiruaLmente la proliferación de estos microorganismos psicrotrofos hace que las caracte·
Copilulo 10; ComelVOCiOro por frio ~dc.;!..S 'J !,&2..."'!c!~?~:.!! d~! r!'cdt!~~ S~3::
::.actjlubles antc.:s de que el crecimiento de otros mi· croorganismos m~nos psicrotol~nntes 5upongil un riesgo sanitario para el colUumidor. Coe hecho, duranle muchos años se pensó que Ins alimentos refrigerados eran seguros desde el punto de vista microbiológico dado que las tempt:raturas mferiores a 5·; ;1 'C Inhibician el crecirnenlo de la mayoría de los microorgamsmos patógenos de interés en 105 ahment05. Sin tmbar::o, se ha comprobado que algunos nucroorgaOl~mos patógenos son capaces de mulliphcarse a tem o peraturas de refrigeración (3-10 "C): Li.;ftria mOrlocytogenes, Auomorta.r hydfophifo., CIOltn· dlUm borulirl¡¡m, YUlirlia erlfuocolitico., \.7brio par.JhatmolyricUl y PluiamoflllJ lhigtlfc. idtJ .
Conviene destacar que la temperatura mícima de producción de toxina de eL boruliflUf11 tipo E es 3,3 ·C y que Y. tflttrocotirica y L mOflocyfogtrla pueden 5Obrevivu- y multiplicarse a temperaturas comprendidas entre O y 3 .c. ESlas bacu:rias patógenas psicrolro(¡u pueden dt· sarrollarse incluso en alimentos correctamente refrigerados, si bien lo bacen lentamente y re· quieren tiempos muy largos para alcanzar re cuentos elevados. Es preocupante que puedan llegar a alcanzar ruvete.s de 10' ufc g-I SlIl que en el producto se adVIertan signos eV\dentes de alteración (por ejemplo, L . mOrlocyrogo!rlu). El peligro que pueden suponer estos microol'32.l'JIsmos es especialmente importante ea aquellos alimeatos refrigerados que se a1maceaan duran· te largos períodos de tiempo en condiciones que tradicionalmente se consideraban adecuad.u y que se ingieren en estado crudo o que antes de su consumo 00 se ca.lieotan suficieotemente para que tales bactenas sean destruidas. bter!S.1, por lo unto, ma.atener UDa temperatura de re frigeración lo más pr6xima po5ibk I () "C.
10.3.2. Impononcio de lo, coroderi$licrn
del (J/imenJo En los alimentos constituidos por tejidos, que mantienen cierta actividad metabólica tr¡u
197
su sacrifdil " recillecció¡¡, es importante tener en cuenta las peculiaridades de cada producto para realizar la refrigeración de (onna adecua. da (cuadro 10.1). En algunas ocasiones, cuando el descenso de la temperatura es muy acusado o la velocidad de enfriamiento demasiado nipi . da, se pueden producir ciertas alteraciones. El caso más representativo es el acoruuniCll to por ¡do de 101 carne que se cancteriza por un endurectmient,J y una menor capacidad de reten ción de agua Este acort.amiento por frio se produce cuando las canales se en[rian rápidamente a 0-5 ·C antes de la resolución del rigor morris (volumen Ir, capitulo 7). En el pescado , especi almente el de aguas frías, la refrigeraci60 es menos eficaz que en olros productos porque su metabolismo está adaptado a las baj¡u temperaturas y tienen un e levado contenido en grasas insaturadas. Las reacciones autolfticas y la autooxidación de las grasas son las prinCIpales causas de que se de · teriore con relativa rapidez a temperaturas de refrigeración. Además, en su flora contaminante predominan las especies psicrotrofas. En los tejidos vegetales intactos la respira . ción aeróbica continua Ifas la recolección Esto Implica la transformación de carbobidratos y ácidos orgánicos en dióxido de carbODO, agua, calor y pequeOas cantidades de compuestos voIIl.tlles y otras sustancias. La velocidad de respi. ración varia mucho de unos vegetales a otros. Aque\los productos que tienen una velocidad de respiración elevada son muy perecederos. La temperatura de refrigeración mas adecuada será aquella que pennita que se U:ve a cabo, aunque muy lentamente, la respiración y que al mismo tiempo impida el progreso de las principales reacciones que conducen a alteraci6n. Ea cua1quieraso, pca--éet-em1inar el equipo y el tiempo necesarios para la refrigeración de este tipo de alimentos bay que tener en cuenta el calor generado por esta respiración. Aunque la refrigeración alarga [a vida Iltil de la mayor parte de los alimentos. algunas fru tas y hortalizas procedentes de paises tropicales y subtropicales sufren alteraciones fisiol6gi -
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cu cuando se exponen a temperaturas inferio· res a las requeridas para su almacenamiento óptimo (sin llegar a su congelación). Se debe a alteraciones metabólicas y de la integridad y permeabilidad de sus membranas biológicas. ESte tipo de alteración se conoce como daño por frio y tiene distintas mamfestaciones segun el producto. pardeamiento Interno y/o externo, picaduras y manchas en la piel o podredumbre e Imposab,lidad de madurar en las frutas . Este dallo por frio se produce, por ejemplo, en los plitllnos almacenados a temperaturas Inferio· res a los 12·13 'e y en ciertas variedades de manzanas por debajo de 1 'C_ El reSto de los alimentos no conshtuidos por tejidos (huevos, leche, alimentos preparados, etc.) se consideran fISiológicamente inacliyos y, ilunque susceptibles de alterarse en distinto grao do, mantienen durante mú tiempo sus atributos de calidad si se refrigeran a temperaturas próxi· mas a su congelación. El pan es una exc::pción
ya que la rdngeración acclera nOlablementt: su endurecimiento debido a la retrogradación del alImdón {cnstahución de la amilopectin;,,}.
'0.3. 3. Foctorel que hoy que conlToJor duron/e el olmacenomlento en refn-geroción Para que la refngeración sea efectiva es ne o cesario en primer lugar que la materia prima sea de buena calidad AdemAs. debe aphcane inmediatamente tus la recolección, el sacrificio o el procesado de los alimentos No basta con introducir [os alimentos en recintos manteni· dos a baJa temperat ura, sino que es fundamen tal que la reducción de la temperatura del ah · mento sea rápida. Sólo así disminuye la poslbi. Iidad de que el alimento se altere antes de alcanzar la temperatura adecuada, Junto con la Yelocidad del en(rllmiento es necesario contro· lar los siguientes factores:
Cap;1\.1o 10: COI'!"''''ociÓl'l ptX frio A) Ttmptrarura
Cada alimento tiene UDa temperatura de refrigeración óptima_ En general los tejidos a.nimales, la leche y los huevos han de aLmaceo.ane a temperaturas bajas (-1 a 1 .C). Las frutas y nortaliza:s nenen un rango. de temperatura de almacenamiento. mucho máJ amplio. dependiendo. de la especie y la variedad (cuadre 101). La temperatura debe mantenerse eStable durante todo. el almacenamiento. y extenderse al transpOrte, comercia1Lzación e incluso al hegar antes de su uso final. En tod o. c.uo. la oscilación de esta variable: no superará en :!:l oC el valer recemendado. B) Humtdad rdaC!l.Ia
Si durante el almacenamiento. la humedad relativa es demasiado elevada. la condensación
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de agua en las superficies frias de los alimentos puede favorecer el crecimiento. de microorganismes y la aparición de bendiduras anormales en algunas butas. Pero. si es demasiado. baja, el producto pir.rde humedad alterándo.se su aspecto y reduciéndose su pese. con las consiguientes pérdidas ecenÓmicas. Al igual que cen la temperatura, cada producto. tiene una hume· dad relatin óptima de almacenamiento., que no. debe escilar más de un 3-5"0. En general suele mantenerse entre el 80 y el 95%, aunque existen algu:1as excepcienes cerna les quesos y les jamenes cundes que req uieren humedades relativas cemprendidas entre 65-70% y 5060%, respecllvamente (cuadra 10.2). El ennsade de les preductes reduce las pérdidas de humedad. aunque al misma tiempo. dificulta el enfriamiento. al supener un obstáculo. adicienal a la [ransm¡~lón de caler.
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TecnoIo:?jo de lo, AJimenlo,. tI} ComponfJIlfU de lo, alimentoJ y proc~JOJ
E:::cnó:-::i::;:!::l:::::~ ~O ::1 ;osib!: ;;:3n:::::::r las condicione3 óptimu de temperatura y hu-
medad relativa para caca prodl,;~¡o duranu el transpone y el almacenamiento temporal en refrigeración . Habitualmente se llega a un compromiso disponiendo dos ambiente3 con distintas condiciones: uno a O oC y 90% de hu· medad relativa, para -huevos, leche, t~Jid os animales,! frutas y ~ortlhzas no susteptibles a daño por frio, y otro a l a ·C y 85-90% de hl.!medad relativa , pa ra todas aquellas frutas y hortahzas que pueden sufnr daño por frfo.
C) Purific::c:ór. • circu!aciÓr. ¿d air~
El aire debe :ircular de una forma adecuada para manlener nna temperatura y composición uniformes en la atmósfera del recinto, para el rápido enfriamit::lto de los productos recién mtroducidos, asi C
D)Lut.
Como regla g':neral el recinlo de almacenamientO ha de mantenerse a oscuras. En ocasiones se ernplean lamparas de [uz ultravioleta para reducir el crecimiento superficial de mohos y bacterias. Sm embargo, su utúización requiere cierta precaución ya que la luz ultravioleta también caca liza reaccio nes oxida!!vas que pueden acelerar la aparición de coloraciones y sabores anómalcs.
El efecw con!i:rvador de la refrigeración puede potenciarse si se combina con el adecuado control de la composición de gases de la atmósfera de almacenamIento (capitulo ll).
10 J./! CorccteriJ/i<;05 de los alim enlOJ refrlgeradoJ
La refrigeraCión permit~ cons~rvar el valor nutritivo del alimento sin grandes modifio:acio· nes, puesto que se frenan las re3cdones qufmicas. En algunas hortalizas. sin embargo, se han detectado p~rdidas de algunas "'¡¡am inas Incluso durante cortos períodos de tiempo. Las caracterislicas organolépucas tampoco se modliican en gran medida; únicamente cabria mencionar (junto con las )'a señaladas) un cierto endurecimiento por la solidificación de grasas y aceites. No hay que olvidar que la refrigeración no destruye los microorgan ismos presentes en los alimentos o en la materia prima. Por lo tanto, los alimentos refrigerados han de procesarse o consumine en un breve periodo de tiempo cuando se mantienen a temperaturas de refn· geraclón relativam~me .:levadas (por ejemplo, 8-10 oC) ya que. en estas condicione3, se acelera el creCimiento de los microorgaIll$mOS presentes en ellos y las reaccIOnes quimlcas 'f enzimáucas. El contacto de la sup~rñcie fria de los alimento3 con aire a mayor temperatura provo· ca la consiguiente conderuaclón de agua sobre los pnmeros. favo reciéndose los fenóm~nos anteriormente menclonad~.
103.5.. 0lr05 aplicociones de la re/rige/ación
Además de como unica método de conservación para algunos alimentos frescos o proce· sados, en la indusula alimentaria la refrigeración se emplea frecuentemente como método de conservación (emparal hasta la aplicacióo
Capitulo 10: COtlJ,tMXio" por fria
de otros tratam¡enlQS (paste rizacion, esteriliZ3' ción, deshidratación, etc.). De mterés creciente es el empleo de la refri· geración para la conservaciÓn de platos prepa· rados y de productos cocinados a vacío (.mus vide) (capítulo 12), cada día más empleados en la restauración colectiva por su mayor calid ad. Estos productos se refrigeran inmediatamente tras su cocmado 'f se almacenan entre O y J ~C, conservandose dl.!rante unos S dias. Si se enva· san a vacío y pasterizan, su vida util se prolon· ga hasta 1: o 3 seffiana.s. En otras ocasiones la refrigeración tiene otros fines, distm:os de la conservación, por su c~pacidad para controlar re!cciones químicas y enzimáucas y el crecimiento y metabolismo de algunos microorganismos deseables. Éste es el caso de la cristalización del azúcar durante su purificación, la elimin3ción de las ceras presen· tes en los aceites comestibles por precipitación, el control de la maduración de produClos fer· mentados como 105 embutidos, el queso y el vi· no o d f¿tititar otras oreraciones corno el des· huesado de frutas , el fileteado de la carne y el rebanado de! pan.
10.4. Congelación y almacenamiento en congelación Actualmente la ::.or:gdación ts sin duda uno óe los mejores métodos disponibles para [a conservación de los a¡¡mentos a largo plazo (cuadro 10.3). Los alimentos congdados. cuando son procesados. almacenados y mamo pulados de forma adecuada, tienen unas ca· raClerísticas organol¿pticas y nutritivas muy '" :niJa ..... s.z..1.u: .!.!~= ~td de su congek ción. A pesar de ello, este método de conservaciÓn está lejos de ser perfecto porque es prácticamente imposible evitar ciertos cambios en la calidad de los alimentos durante su aplicaCIón. Parl reducir al mínimo estos cam· bios es necesario conocer con detalle sus fundamentos.
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10.4 l. Teoria de la cm!o'izcciim El rasgo más sobresdiente de la congelación es el cambio de estado, de líqUIdo a sólido, que experimenta una pane del agua presente en los alimentos. Esto permite la conservación de los alimentos durante largos periodos de tiempo. Sin embargo, la formación de cristales de hielo es una de las principales causas de al · gunas modificaciones 1f\1eseables de los ali· meneos durante su congd.lción. En la cristalización. o iormación de una fase sólida organizada sistemáticamente a partir de una solución. se pued~n distinguir dos eupas: la nudeación y el cre:lmlento de los cristales. Duran!e la conge!¡wón efllas dos etapas se so· lapan en el tiempo. pero es posible conerolar la velocidad relanva de cada una de ellas y, de esa forma, modificar las caracterislicas de! sistema final.
A) Nucfeacr6,.
Consiste en la asociación de moléculas de agua para formar una peque~a partícula arde· nada y estable. El punto de iniClO de la conge· lación de un alimento (N) se puede definir ca·
202
TI!~nologio dI! 101 -'JimenIOJ.
mComoonenleJ dI! 101 alimenlol y proceSOl
mo la temperatura a la que un dmunuta cristal de hido coexiste en equilibrio con la fas~ líquida. La temperatura de fusión del hielo puro es O -c. En cambio, no comienzan a fo~marse cristales de hielo cuando la temperatura del agua alcanza esta temperatura, La nuclea::ión es un fenómeno difícil, porque las mol~culas de agua en estado líquido no se asocian fácilmente entre ellas para formar un sólido. Para que ocurra esto es necesario que la temperatura sea inf~rior al punto al que se inicia la congelación. Es probable que durante este sobrunfnamienlO se formen agregados Cristalinos de tamaño diminuto y de carácter inestable que no llegan a alcanzar un tamaño crítico. Existen dos tipos de nucleación. La nuclell· ción homogénea es la que tie ne lugar en solu ciones puras y, por lo tanto, es de poco interés en los alimentos. En la n!ideación heterogénea los núcleos se forman sobre partículas extrañas suspendidas, sólidos insolubles, superficies de películas o paredes de envases, y es de mayor importancia en los alimentos y estructuras vi· vas. Estos agentes facilitan la organización de las moléculas de agua para formar núcleos estables . El impacto mecánico y las variaciones locales de sol utas también contribuyen a la nudeación heterog~nea . La nucleación comenzará cuando la temperatura alcance un valor crítico (N) caracterís tico de cada muestra. Como se aprecia en la figura 10.2, al disminuir la temperatura aumenta rápidamente la velocidad de formación de núcleos. Es decir, cuanto más rápida sea la velocidad a la que se elimina el calor del alimento, mayor será el número de núcleos formados.
8; CrecimienlO de los cristales
En esta etapa tiene lugar la adición organi zada de moléculas de agua a los núcleos formados, que asi aumentan de tamaño. El crecimiento de los cristales de hielo depende de la difusión 'i orie;:t:!ció n e: mol tedas d: agua en la superficie del núcleo. El número de molécu-
\.
Crec:r.Yento oe los cnstalou
Temperatura ("e) FlGu~ \0.2 lnfluende del sobreen¡riomien~o ini· ciel y de la "'elocidod de enfriomiento tln lo nucleoción y el eredmiente de lo! eri,tolel de hielo. Fuenle: Fennemo !1975bJ.
las de agua que se unen al nlicleo ha de ser mayor que el que se alejan de él. A diferencia de la nucleación, el crecimiento de los cristales puede tener lugar a temperaturas muy cercanas al punto de fUSIón. De hecho, las moléculas de agua tienen mayor tendencia a migrar y asocIarse con núcleos ya existentes que a formar nuevos núcleos. La velocidad de crecimiento de las cristales también depende de la velocidad de enfriamiento, aunque el efecto es más moderado que lo observado para la nucleación (figura 10.2). A temperaturas muy bajas (alrededor de los -80 oC). la velocidad de creci miento de los cristales de hielo llega a reducirse por la elevada viscosidad de! medio a esas bajas temperaturas, limitando el movimiento de las moléculas de agua a los cristales. La presencia en los alimentos de diversos solutos yestructuras puede dificultar e! crecimiento de los cristales de hielo en el mismo sentido. Si se comparan las velocidades de nuc1eación y de crecimiento de los cristales en función de la velocidad de enfriamiento se deduce que es posible regular el tamar'lo de los
Copírvlo 10: Conurvocióo por Frío cristaJ~s d~
nielo controlando \a velocidad de transferencia de calor (figura 10.2). Cuando t:stA es muy rápida. la velocidad de nudeación aumenta notablemente dando lugar a la formación de muchos núcleos: pero no ocurre asl con la veloció.d de crecimiento de los cristales. por lo que éstos serán de peque~o tamaño Sm em· bargo, en mueStras que se congeian kntamente (cuando la temperatura del alimento se mano tiene ent:e O ·C '! N) ocurrirá lo contrano. formándos!"'! pocos núcleos y siendo los CrIStales resultanr;es relatl\·!.mente grandes. Tambit:n parecen existir diferenclllli en cuan· to a la forma de los crIstales segun la velo.:idad de enfriamIentO si es lenta los cnstales tienen forma alargada (como una aguja). mientras que si es rápida eslOs tienen formas más tedon· deadas. ..El número, el tama~o y la forma de los cristales puede \'8ria: incluso de una zona a Olra del alimento. especialmente en los productos sólidos o de gran viscosidad. En las parles peno ft:ricas que están en contacto con el medio de enfriamiento, donde la temperatura dismlOuye rápidamente. se formará un mayor numero de cristales y de menor tama~o que en las zonas mas profundas. en las que la transferenci3 de calor ocurre más lentamente. Esto es impar· tante porque el numero. tamaño y forma de los cristales Influ,!e notablement~ en la calidad de [os productos cangelad05, como se ~'eri1 más adelante. 10 .d 2 CUfVQJ dI! congelaCIón La dismrnución de la temperatura durante la congelación se puede considerar dIvidIda en tres etapas. La pnmera etapa consiste en el en· friam,ento del producto hasta la temperatura en que se inicia su congelación (eliminación de calor sensible). En la segunda etapa se produce la cristalización de la mayor parte del agua pre · senle en el ali mento (sustracción del calor latente correspondiente a la formación de cristales de hielo) Esta etapa es precisamente la
203
de m;!yor requerimiento energético. por el ele· vado calor latente de fusión del agua (335 k) kg-1, a O·C y presión atmosUrica). En la tercera etapa tIene lugar la posterior reducción de la temperatura del producto congelado hasta la t~m?eratura final deseada (h¡¡y que el¡minar de nuevo calor sensible). El r~pm" d~ la temperatura durante la con· gelación lellta de una muestra de agua pemule obtener una curva como [a mostrada en la figura 10.3.a La temperatura del agua ha de des· cender por debajo de los O ·C para que se inicie la nucleaClón (sobreenfriamLenlo. punto S). En ~I momento ~:l que los nucleos adquieren un tao maño crítiCO r comienzan a fonnarse los prime· ros cristales de hielo, la velocidad con que se h· beta el calor latente debido a la cnstaliz.aciÓn es mayor que la velocidad a la que se elimina este calor de la muestra y la temperatura se eleva a O·C (temperatura de equilibno de congelación • del agua pura, puntO 8). L.a m~zcla de agua y temperatura mientras hielo se mantiene a se está produciendo el cambio de estado (segmento Be). Sólo cuando st ha completado la transformación del agua liquida en hielo, des· ciende la temperatura hasta aproximarse a la del medIO de enfriamiento (segmento COl. Ca· be destacar que al ser el calor específico del hie· 10 menor que el del agua, el descenso de la temo peratura del hielo es ahora mucho más rápido que en ellgua antes de su congelaCIón. L.a cur\'a de congelación de una disolución diluida de un compuesto (sacarosa en este ejemplo) es ligeramente distinta, como puede observarse en la figura IO.3.b En primer lugar el sobreenfriamlentO (descenso de la tempera· tura con respecto al punto de fusión) no es tan acusado como en el agua pura, al predominM los mecanIsmos de nudeación heterogt:nea. La temperatura se eleva al liberarse el calor laten· te de fusión durante la formación de hielo. En se!undo lugar, la temperatura a la que comlen· za la congelación de la solución (8 ') es infe rior que para el agua pun, por la depresión del punto de congelación (tey del descenso crioscó· pico de Raoult), Este descenso del punto de
esa
204
T"cnologio dtl
105
AlimtlntoJ.
mComponen/u de 10J o/imentos y prOCE!JCJ
al Agua pura 20 15 A
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Tiempo FIGU~A
10.3. CurvOl de cons~lc;d:n ~~. -=¡ c;;:;c
puro y b) uno iolvción diluido de
10':0'010.
congelación depende de la concentración de so lutos en solución. La fonnación de cristales de hielo tiene como consecuencia mmediata el aumento' de la concentración del soluto en la fracción lfquida restante y la consiguiente disminución de su punto de congelación. tsta es la razÓn por la cual el segmento S'C' tiene una ligera pendiente negativa. Durante esta etapa se fonna la mayor cantidad de cristales de hielo
en la solt~ción, siendo oportuno destacar que se t ,Co ,;. dI! (ristalcs dI! hielo puro. No es correcto, por lo tanto, hablar de la temperatura de congelación de una solución, sino de la fempUQCuro de iniClO de la congtlación para indicar que se trata dd punto de fusión o congelación de la solución ¡.ntes de que ~ste se modifique por la criocon:entración. Cuand,; la concentración del sol uta alcanza la saturación (punto eur¿ccico), este comienza a cristalizar a la misma velOCidad que el agua, liberando a su vez el calor latente correspondiente al cambo de eSlado. A partir de ese punto (O'), en lé, mezcla eutéctica cristalizarán conjuntament! el agua y la sacarosa (segmento D'E'), sin que se modifique la concentración de sacarosa en la disolución. Una vez finalizada la cristalizad5n, a temperatura constante, continúa desceIldiendo la temperatura dd sólido congelado I segmento E'F'). El desc~nso del punto de congelación por la presencia d~ un soluto y las condiciones en las que se fonnan las mezclas eutécticas se muestran, para Lila 50lución diluida de sacarosa, en el diagrama de fases representado en la figura lOA. La línea aE es la curva de congelación de las disoluciones de sacarosa en agua, es decir, los puntos en los que la disolución está en equilibrio con cristales de hielo, y la lfnea bE es la curva de sol\lbilidad de la sacarosa o los punto~ en los que la disolución está en equilibrio con cristales de sacarosa. Estas dos líneas se encuentran en el punto E (puma eutéctico) en el que hay en equilibrio sacarosa en disolución, cristales de hielo y cristales de sacarosa. El punto eutéctico es un punto invariable y caracteristico de cada compuesto, siendo en este ejemplo una concentr,lción de sacarosa de 562% a -9,5 GC, condi,:iones en las que comenzarán a formarse simultaneamente cristales de hielo y de sacarosa-.~,La depresión del punto de congelación del agua por diversos compuestos también es útil para la selección de mezclas refri gerantes. Por ejemplo, para el cloruro sódico la mezcla eutéctlca a -21 ·C contiene un 23% de NaO. Este hielo eutéctico tendrá un punto
Copitu/o 10: COfliervociÓfl por frio
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cióll son mucho más complejas. El sobreenfria· miento no suele superar los la oc. aunque en muchas ocasiones no es aparenle. La !emperatura de inicio de la congelación dependerá de la composición del a¡imenlO (cuadro l OA). Durante el proceso no se formará una única mezo cla eUléctica sino muchas. $iendo lal la comole· jidad que suele ser dificil apreciar 105 PUDtO~ de infl-e"{!ón de I:u distintls mezc13s eutécticas (final del segmento BC y segmento CD en la figura 10.5). las curvas de congelación de dIversos alimentos de origen animal y vegelal
FlCIJlA 10 4 . Diagrama de fO$/l1 de une mlzdo binario Isocorow.ag:uoj.
de fusión de -21 "C y mejore.; propiedades re · frigaantes que el hielo lornudo a partir de agua pura y, de becbo• .se erJp!:a c:omer-:ial· mente por esa razón. En 1~ alimentos con una gran cantidad de compuestos en solución, las CUfV
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flOV'RA 10.5. CUfV!:l de cons,~bdón de un ~¡ere de carne, indicondOlll porceMoje de aguo 1'10 congeloGo, S, soOreel'lfricmiento FlJen~ ' Adoptodo de Palier {1986).
La congelación de un alimeato se consIderará completa cuando su temperatura alcance la de la mezcla euti!:ctica más baja (rempuarura de fin de la congdacidn). Sin embargo, esto rara vez se consigue durante la congelación de los alimentos. y ni siquiera es su objetivo, porque requenría el descenso de la temperatura a valares muy bajos (por ejemplo, en el pescado $.erían -55 oC) e implicaría costes muy elevados. Es importante resaltar que a las temperaturas de congelación habituales en la industri a alimenta· na siempre existe una proporción del agua del alimento que permanece sin congelar (figura 10.5). E! porcentaje de agua no congelade depende de la composición del ali mento y de la temperatura de congelación (figura 10.7)
son similues y dependientes de la velocidad de congelación (figura 10.6).
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10.4.3 . ModiflcaciOflel que Je prodJCen en 101 olimenfol durante JU congelocian.
Efecto sobr,
10$
reoccioreJ quimiccl$
yenvma/icas FGUItA 10 6. EvoluciOn d.
A) Daño por los crisuzles de hida
lo lempe:raMa duranl.
la congelación de un olimlnto con Iníriomiel'llo !e('\. to (oL rapido
1b1
y muy rápido mo
(el.
Aunque la congelación es uno de los métodos más suaves de conservación, la formaCIón
f..,enle· Fenn&<
(197.51.
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Carne ma9" (74,5% agua) Eglehno (83,6% agua) Clara de nueyo (86.Sr. ilgViI) Yema de nultVO (50% 'gua)
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-J5
- 25
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-,
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T.mperillura (oC)
FlGUiA 10.7. Variación del parcentOle de aguo cOt>gelodo en 'fOrios a limenlol en fvn
lo ¡empere/urQ.
OoIQS
/omOOOi
oe ienflemo {19751.
Capitulo 10: COI1JtrvoeiÓ01 por frio
de crislales de hIelo siempre afecta en cierto grado a las catacteristicas de los alimentos con· gelados. De hecho, es ~sta la principal causa de la disminución de la calidad de los productO$ congelados. La magnitud de este dañovepende en gran medida de la velocidad de congelación y de las caracteristicas del producto. Como se muestra en la figura 10.8, los ali· mentas que denvan de tejidos (carne, pescado, fruta, etc.), y tienen estructuras con paredes y membranas celulares, son los que pueden scr más afectados por la formación de crislales de hielo. Los cambIOS dependen de la localización de los c~lstales de hielo. la cual está determina· da por la velocidad de congelacIón y la perme· abihdad del tejido En los tejidos vegetales. cuando la temperatura disminuye lentamente, los cristales de hielo comienzan a formarse en
el exterior de las célul u porque el punto de congelación del fluido extracdula: es mayor qt:e el del flwdo intracelular (que tiene más solu'os en solución). Al aumentar el tamaño de es:os cristales extracelulues, los solutos disuel· tos en el fluido extracelular ~ concentran y prJmueven la salida por ósmosis del agua in· tracelular. Los cristales extracelulares conti· nLao cíeciendo, lesionando las membranas )' provocando una intensa deshidratación de [as células. El aumento de la concentración intracelular de salmos, consecuencia de la deshidra· 1a;lón celular. reduce aún más el punlO de con· gelaclón 'l. !,OC lo taOlo, la probabilidad de que se InIcie la cnstalización en elmtenor de las celulas. La deshidratacIón llega a ser irTeve~ible cuando sobrepasa un cierto nive!, y durante la descongelación las c~lulas no van a recuperar
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Producto uIlrKOng.t.do
-18 oc
FlGvtA 10.8 FormaciÓll y loco!i:ocion de lo~ criSlo!e~ de hielo en lo, teiido~ duronle lo congeb::ioo répi¿:: y !er:~c y mooilicccionel Gue ~e ?rod~cen duron !~ lo desC:0"9~!adOn_
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recnoiogio da IoJ AlimentoJ. (I}
Compot1~IeJ da los olimentoJ y procelOS
q:J~ p!ite de su contenido, que aho ra se encuenlra en el e"(l~rior de la ci!lula, 5: VJ a perder (pérdidas por go,eo). El volumen de las células disminuye com iderablemente, al mismo tiempo que se produc! su separación, modificando gravemen· te la te:ctura y la turgencia del producto. La estnlctur:\ de los tejidos animJ.les generalmente se aller.! menos que la de los vegetales porque las fibras son más flexibles '1, aunque se separan. no llegan a rompene En c"-mbio, cuando la velocidad de congelación es rápida los cflStales de hielo ~ forman pracucarnente al mismo [lempo en el \nt~rior y en el enenor de las células (figura 10.8). El desplazamiento de agua, si eXiSte, es mímmo. Adem á~, segt.i.n se describió en el apartado 10.4.1, [o. cristales seran de pequeno tlmaflo y muy nurr.erosos, por lo que la estructura de [05 tejidos ~penas se modifica. Sin embargo, con· vie,:e recordar que la cristalización Intracelular, incluso zunque los cnstaks fcr:nados $ear, de pequeñc- tamaño, provoca siempre un cierto grado de destrucción de la orgalllzaclón celu· lar. Esto" más probable en tejidos que tienen poca pemlC~abllidad, en los que el agua permanece en el Interior de las células y se sobre enfria lo suiiciente para que se formen cristales de hielo. Si lJ permeabilidad es alta, las células experimentan un cierto grado de deshidratación, inó.:pendientemente de la velocidad de enfnamiento S!1 los a!:;;¡en:cs Gue iienen .:ierta estru.::ru· ra u orgalllzación (por ejemplo, emulsiones, geles <) espumas), la formación de cristales de gran tamaño du rante la congdación lenta tamo blén ocasiona modificaciones en el mismo sen· tido. Así, por ejemplo, la ruptura de la emulsiÓn pa.r e:ltos cnstales de hielo en la manrequi1Ia dene como consecuencia la formación de bolsas de grasa, y la de la espuma en los hela· dos una disminucl6n de su volumen. Para eV¡(ar [os problemas derivados de la formación de cristales de hielo y la deshidratación cel ular durante la congelación de los alimentos es frecuente el empleo de CflOP'O/tctO'
el nivel. de hidratación original sino
"'!! S~ ~,:!!:! ~e .:"Z"~¡:,:.!estcs ::.::" di;·::;ia compo· sición química que tienen en común una grall lfinidad por el agua (glicerol, sorbitol, mono· sacáridos, sales, proteinas, etc.). Estos compuestos son capaces de inmovilizar el agua e impedir su cristalización. Cuando los criopro· tectores pasan al interior de la célula evitcin, además. la deshidratación celular. Se ha indicado que estos agentes crioprotectores son útiles cuando la velocidad de congelación es knta, pero que su empleo puede ser perjudicial duo rante la congelación rápida porque sirven como nuclws para la crista[¡zación I/ltracelular. En este punto con'liene mencionar que una tecnología que está despertando bastante interés en la industria alimentlria es el sobrunfnamíen/0 (mperchill symm). El fundamento es el man tenimiento de los alimentos en el rango de temo peratura entre O·C y el punto en que comienzan a formane los cristales de hielo (por ejemplo, -t,7 oC en la carne de vacuno y -2 oC en el pesc3do). Estas temperalUras son 10 suficlentemen· te bajas pata impedir o retrasar notablemente el cr~clm ie nto de los microorganismos y las reac· ciones químicas y enzlmátic3s, pero no provoca daño celular por la ausencia de cnstaJes de hielo. Es decir, la vida útil de los alimentos así conservados es mayor que con las condiciones habitua· les de refrigeración, pero el coste del prcaso y la modificación provocada en [os productos son menores que cuando se aplica la congelación. Además del daño duecto causado por los cris¡aies de hielO, durante la congelación lienen lugar varios fenómenos asociados a la formaCIón de estos crislales de hielo que también re· percuten en la calidad de los alimentos congelados: el aumenlo de la concentraciÓn de solu· tos en solución y las variaciones en ~I volumen de los alimentos congelados.
B) Aumento de la concentración de solUlos en solución La formaciÓn de enstales de hielo puro como consecuencia del eofnamiento inmoviliza
Copírvlo 'O : CC/o'IJ~oció" por Frío
una cierta can11dad del agua del alimento. Al mismo tiempo, la concentración de los distin· tos solutos presentes en la fracción de ag ua no congelada aumenta considerablemente, Una de las consecuencias más inmedIatas es la ace· Ieración de las reacciones químicas en esa fracción de agua no congelada, espeCIalmente en el intervalo eone -5 y -15 ·C. En este rano go de temperaturas no se cumple totalmente la ecuación de Arrhenlus, es deCIr, la yeloci· dad de las reacciones no disminuye IantO co mo se podría esperar por efecto de las bajas temperalUras. La concentración de solu:05 produce d efecto contrario: la velocidad de las reacciones tambi~n aumenta de forma proporcional, por la ley de acción de masas. Es decir, la congelación puede tener dos efectos opuestos sobre la Yelocidad de las reaccIOnes: la dlsminl!ción de la lempe :atura siempre oC3$ionará: la reducción de la Yelocidad de las reaccio· nes y la concentración de solutos puede, en algunos cuas, aCelerarlas (como ocurte con las reaccion~s de o,'(idación, hidr6lisis o desa:!.· tu ralización proleica). Es Importante señalar que este fenómeno es especialmente grave cuando la velocidad do:. la congelación ~ s lema, porque el alimento se mantIene en este problemático rango de temperaturas (!ona en'· (lea) durante un tiempo re!atiyamente grande (figura 10.6). El efecto de la reducción de la temperatura sobre las reaccio nes enzlmalicas es menos mar· cado que en las reacciones químicas porque la Mergía de actIvación es mucho menor. Además, hay que tener en cuenla que, a diferencia de algunos tratamientos t~rmico5, la congeia· clón no inactiya las enzimas irreyer51blem~nte. El efecto de La congelación en las reacciones enzimáticas es ltV'iable y depen& de 1M c.u.:!": ¡erísticas de cada enzima. Éstas pueden ser inactivadu o actiyadas, parcial y transitoria· mente , como consecuencia de la alteraCIón del medio en el que se desarroUa su actividad (me. nor cantidad de agua disponible, desviación del pH, aumento de la concentracIón de 501u1os. aCUYadores e iolubidores, etc.) y del estado de
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ia ~nz ima ('¡'!¡Cf'i,,::icrnes de ~u e~,ru;;tura), Aun. que no es posibk Indicar unas pautas generales sobre el comportamiento de las enumas en los alImentos congt~ados, cabe destacar que pu~· den detectarse 'eacciones enzimatjcas a temo peraturas bastar ',e reducidas, a las que no tie· nen lugar ya cambios químicos, En vegetales, 13s cata lasas, peroxidasas y ptoteasas conser· van actividad hasta -15 o -17 ·C, las lipasas hasta -25 o -30 'C y la inv~rtau induso a ~O oc. Además, si LIS membranas de los organulos celulares (como !as mitocondrias o 105 lisosomls) resultan dl.:bdas durante la congelaCIón, la hberación de [as enzimas en ellos contenidas y ~I Contleto cor. sus SUstratos, de los que ames esuban separados iísicamente, puede favore: · cer d inicio de a;gunas reacciones ~nzimáticas (por ejemplo, enzimas hidrolíticas lisosomales o polifenoloxida:;.ls en vegeta!.!s). Otra de las consecuencias derivadas del aumento de la concentración de los distintos solutos es la modIficaCIón de las car
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TKnologia de kJJ Alimenlol. (1) ComDOtlen/flJ df kJJ a/imenloJ y.oroceJOJ
C) Varillciont.s tn tI P,lo[umtn
La transformaci6n del agua líquida en hielo supone un aumentO de su volumen de un 9%, aunque si el hielo continúa enfriándose se contrae ligeramente. En consecuencia. todos los alimentos se expanden al congelarse, aunque no tanto como el hielo puro. El .tumento de volumen dependerá principalmente de su contenido en agua y, al tratarse de cristales de hielo puro, se corresponderá con el 90/. de la frac· ción de agua que se congela. Por el contrario, los lípidos se contraen durante la cong:~laci6n. Estas variaciones de volumen dan lugar a tensiones internas en [os alimentos que provocan danos en las estructuras celulares e incluso desgarraduras. especialmente SI los cambios de volumen no son homogéneos. El daño mecánico deri~ado del cambio del volumen afecla en mayor medida a las frulas y hortalizas, ya que estos productos tienen pare· des celulares rígidas y las células no están alineadas. Cuando la velocidad de congelaci6n es rápida, el daño es mayor. t:sta es la razón pOr la cual es frecuente observar en 105 alimentos vegetales congelados rupturas celulares. separaci6n de células y una textura an6mala. Las variaciones en el volumen son menores cuando existen vacuolas de aire, que se pueden comprimir e incluso expulsar el aire durante la congelación, absorbiendo el aumento de volumen del hielo formado. En el músculo, la textura resulta menos afectada porque las fibras son largas, estrechas, más elásticas y están dispuestas paralel~mente. siendo más probable que se separen Sin romperse.
10.4.4. Efecto de /o congeloción en
10i
microofgoniimOJ
La congelación y el almacenamiento en congelación a - 18 oC no destruyen totalmente los microorganismos presentes en los alimentos, aunque éstos sufra:"! ci erto daño ~o~ el choque térmico, el crecimiento de cristales de
hielo in¡racelulares y el aumento de concentración de los solutos en la fracci6n no congelada. El efecto dependerá de la ·rapidez con que se realice la congelación. del medio en el que se encuentren las bacterias y de la fase de crecimiento (en fase estacionaria la supervivencia es mayor). La velocidad de congelación tiene las mismas consec.uencias en las bacterias que las indicadas anterionnente para los tejidos. en cuanto al daño por los cristales de hielo y la deshidratación. N o todos 105 microorganismos tienen la misma sensibilidad a la congelación. dependiendo la tolerancia de la actividad de sus sistemas en· zimáticos '! de la composición lipidica de su membrana (fluidez) a bajas temperaturas. Las esporas de bacterias y mohos son muy resiso tentes y, entre las células vegetativas. las bacterias Gram positivas, especialmente los cocos Gram positIVOS, son más resistentes que las Gram negativas. Durante el almacenamiento en congelación las bacterias Gram negativas suelen perder ~"Íabilidad progresivamente, aunque algunas de éstas (por ejemplo, So/monilla en aves) y [a mayoría de las Gram positivas apenas se ven afectadas. Generalmente la ma· yor lasa de destrucción bacteriana se observa inm(:diatamente tras la congelación, después se reduce notablemente y llega a estabilizarse durante largos periodos de tiempo. Por esto, aunque el número de supervivientes disminuya, la congelación es también un método efectivo para mantener la viabilidad de las bacterias. Cuanto menor sea la temperatura de almacenamiento, mayor será la supervivencia de las bacterias. Las toxinas no se ven afectadas por la congelación, en caso de haberse producido en el alim(:nto con anterioridad . Los alimentos congelados no son un buen sustrato para el crecimiento microbiano por las bajas temperaturas, su reducida a~ (cuadro 10.5) y la modificación de las características de la fracción no congelada . La mayoría de [as bacterias no se multiplican a temperaturas infer~or~s a - 8 ·C, las levadu ras a-ID 'C r los mohos a -12 oC (en concordancia con su resisten-
Copillllo
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JO: COtIJer.oción por frio
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....::e1ular y que las bact~rias se deshidraten parCIalmente Impidiéndose la nudeación intra· celular, pero no lo sufiCIente como para que se reduzca su viabilidad. E n los medios suelen in· cluirse, además. agentes crioprolectores (glice· rol. clara de hu~\'o, leche. etc.).
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cia a Il .. reducidas), Algunos aulores conside ran que es necesario una temperatura de -18·C pa· ra el cese total de la multiplicación de microorganismos (figura 10.1) Es conveniente seJ'¡alar que aunque a valores muy extremos de temo peratura el crecimiento de los microorganis· mas ená muy limitado, su actividad metabólica puede ser significativa. Por ejemplo, se ha de· tectado actividad lipásica en algunas cepas de PSt:u:domonas fragi induro después de 21 días a -29 acLos parásitos responsables de In festación en la carne (protozoos, cestados y nematodos) son mucho más sensibles a los efectos letales de la congelación que los rnlcroorgamsmos. La ma· yoría se destruyen a -5 o -lO·C al cabo de unos 10 días. en ausencia de compuestos protectores en el alimento. Las larvas de Tflchmella splra/is mueren si la temperatura se mantiene a -15 ·C durante al menos 30 dias. Este periodo se acor· ta sensiblemente si la temperatura de almace· namiento es menor (por ejemplo, -25·C duran · te 20 días o -30·C durante 12 días). La posibilidad de mantener la viabilidad de las bacterias con un ad ecuad o co ntrol de la congelación hace que se emplee como método de conservación de los cultivos bactenanos pa· ra la elaboración de produ ctos fermentados . Para cons:guir la mínima destrucción de las bacterias interesa que la crista lización sea ex·
JO 4 5 Modihcoción de lo! o/imen/os duranle su almocenomlento en congelación
A pesar de que las balas temperaturas redu· cen notablemente la velocidad de las reaccio nes qu ímicas y enzlmáticas, hay que tener en cuenta que en los ahmentos congelados a -18 oC no to· do el agua del alimento está congelada (aunque la Q. sea baja). las entimas no se han ¡nactivado co mpletamente y los solutos presentes en esa fase acuosa no congelada están mu!,; concentra· dos, lo cual a su vez puede modIficar las carac· [erísticas del medio (plj., fuerta iónica, poten· cial redol. etc.). Como consecuencia de todo ello algunas reaa::iones químicas y enzimáticas pueden progresa r, aunque muy lenlamente, duo rante el almacenamiento en congelación. Ade· más. Jos cristales de hielo una vez formados no son estables}" pueden experimentar ciertos cambiOS Son estos cambIOS físicos (recrlStaliza· ción y sublimación) y químicos, que se verán a continuación con más detalle . la principal causa de la perdida de calidad d~ 105 alir::entos jur~;¡· le su almacenamiento en congelación.
A) Rtcrula/¡zación
La recristalización es un fenómeno muy freo cuente, que consiste en cambios metamórficos de los cristales de hielo que afeclan a su núme· ro, tamaño, forma, orientación o perfecciona · miento. Se trata, en general, de cambios no de· seables por la repercusión que lienen en la·cali· dad de los alimentos, peto en muchos casos son inevitables. Los principales tipos de recrisuli· zaci ón. re presentados en la figura 10.9, que pueden producirse en los alimentos son-
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TecnoIogio de IoJ A1im~(l/QJ. (1/ CompoII.n/fl! d. los al.mentos y prOC.WJ
ISOMÁS/CA
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O FlGu.u 10.9. PrinClpalel formos de recrlllcliz-::IClón durante el olmocenam,enlo de
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ol1mlnlos congelcdol.
1 Rtcrislalización isomd.sica. Los cristaks de fonna irregular y con una relación su· perficie/volumen ekvada tienden a asu· mlr una estruclUra más compactl con una menor relación superficie/volumen. que es más estable. 2. Recrutaii¡:oclón migrarorla o cr~cimil!n!o dI! 10$ crilta{
menor tamaño al tener puntos de fusión mas baJO$. Pero si la temperatura vuelve a disminuir, por la fuerza de atracción entre ffi;ua$, las moMculas de agua tenderán a unirse a 10$ cnstales de mayor tamaño en vez de fonnar nuevos mlcleos de cmtalización. El resultado neto es la disnUr.ución del númaa de: cristales (desapareciendo los de menor tamaño) y el aumen10 de su tamaño medio. j. R/!Cfís:alir.acI6n por contacto o acuriva. TIene lugar cuando los cristales que eSlán en con[aClO se unen para fonnar uno de mayor tamaño y menor energía. Al igual que en el caso anterior, la consecuencia e:S'la reducc1ón del número y el aumento del' tamaño de los cristales. Este tlpO de recrislalizaciOn no se puede eVllar, aunque su lenlltud le resta importancia. 4. Recrucalir.aciórt por prf!Si6rz. Cuando se apUca una fuerza a un grupo de crlSlales
Capi/ulo 10: CorHervocion por Erro ¿~ hi~lo !:o~
cl!slin!! orientaci6n, aqueo lIos que tLc!nen su eje principal paralelo a la direcci!:n de la fuerza aplicada crece· rán a expensas de los otros, siendo el crecimieoto proporcional a la fuerza aplicada. Es decir, es importaQte evitar que los a.lmentos congelados estén 50mc!lido$ a presión_ Es evidente ::rue la mayor calidad de los alimentos cong!,lados rápidamente puede de· saparecer durante su almacenamiento. igualándose con la de los congelados a velocidades más !entas, por estos renómenos de recristah· zación. Por lo t¡lntO, para conservar la calidad de los produc!cs congelados es rundamental mantener una temperatura constante y e\'itar el apilamiento, o:cesivo durante su almacena· miento.
B) Su.blimaci6n
Durante el almacenamiento en congela.:.,!.,;, cuando la superficie húmeda y fria de los ali5
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mentas contacta con una at.m6~era 00 satura· da de humedad, parte del hielo superficial del alimento se sublima. Esta deshid,atación tiene como consecuencia la disminución del peso del alimento. Por ejemplo, la carne puede llegar a perder un 0,25% de su peso por cada mes de almacenamiento en congelación. Estas pérdidas dependen de la temperatura del a.ire (figura. 10.10), disminuyendo cuanto más baja sea ésta. Además de las pérdidas económicas por reducción del peso, la deshidratación también modifica el aspecto superficial de los alimenlOS. E3ta alteración se conoce como q¡jtmadura por ¡,iO O quemadura del congelador y se ma· nifiesta en (arma de manchas daras debidas a que las pequeñas cavidades microscópicas, que anteriormente estaban ocupadas por cristales de!: hielo. modlriean la longitud de on~a de la luz reflejada. Al mismo tiempo se producen cambLos en la ConSIStencia, porque las áreas deshidratadas no vuelven a reabsorber agua en igual medida durante la descongelación. La quemadura por fria es problemática, sobre 10'::0 (;'. :0$ produ.:tos que trenen una elevada relación superficie/volumen. -IJ·C -/S·C
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T.mplratwlI 80 el centro del producto ("e) FlGiJaA 10,10. ?Mo.doi de pela acumulados duranl!! la congeladón con oifl a distintos lemperal\.ral. fu!!n/e: Herber, landa;"!, Pemon y Ryr1nel ! 199 11.
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Tecnología de IoJ Alimentos, (J) Componen/es de b aljmenlos y procesos
Enrre los posibles recursos que pueden empleane para evitar esta deshidratación pueden citarse: L El envasado a vacío en materiales impermeables al vapor de agua. La aplicación de vacío es importante para e\itar que ~ produzcan condensaciones en el int~rior del envase . 2. El mantenimiento de una adecuada humedad relativa de la atmósfera de almace¡;amiento, que no;malmente tiende a disminuir por la condensación de humedad en los evaporadores. 3. Evitar velocidades excesivamente grandes del aire. 4. La formación de una capa de glaseado de hielo sobre el alimento.
C) Modificaciones quimicas
Se trata en esencia de las mismas alteracio· nes originadas durante el cu~o de la congelación. La autooxidación de los lípidos , responsable de la aparición de sabores y aromas propios del eruanciamiento , es una de las reacciones quirrucas de mayor importancia en los productos congelados porque, aunque lentamente , tiene lugar incluso a -18 oc. Afecta de forma muy acusada a los ahmentos que tienen un elevado contenido en grasas insaturadas (como pesca· dos grasos y carne de cerdo). reduciendo su vida útil. Los lipidos tambi~n pueden hidrolizar· se y el aumento de ácidos grasos libres puede favorecer la desnaturalización de las proteínas (aves y pescado). Las alteraciones en el color y las pérdidas de vitaminas pueden deberse a reacciones de naturaleza química o enzimática que afectan a carotenoides, antocianinas y clorofilas. Tambi~n se producen pérdidas de compuestos aromáticos y gases, que tienen menor solubilidad a bajas temperaturas. Los carbohidratos son los compone ntes menos afectados por la congelación, debiendo señalarse tan sólo la retro-
gradación del almidón. Dependiendo d~l producto, la modificación de la textura puede tener otras causas. Por ejemplo, en' los helados por la cristaliz.ación de la lactosa, en la carne y el pescado por agregación de las proteínas musculares, en la leche por la gelificadón proteica y en 105 geles de hidrocoloides por desestabihzaciÓn. La acth'idad residual de las enzimas puede ocasionar varias modifIcaciones, aparte de las ya m~ncionadas pérdida de vitamina e y d!!gra· dación de pigmentos . En las frutas, las pOlifenoloxidasas pueden causar pardeamiento enzimático. La modifica:ión de los lípldos ¡nsaturados por las lipooxigenasas da lugar a la aparición de olores y sabores anómalos. Para evitar estas actividades ennmáticas es habitual aplicar un tratamlento térmico de escaldado o químico a las frutas y hor.. alizas antes de la congelación. En carne y pes.::ado almacenados durante períodos prolongados en congelación, la actividad de las proteasas y las hpasas puede modificar tanto su textura como su sabor y aroma. Es importante insistir en que todos estos cambios físicos y químicos, y no los microbiológicos, son los responsables de que los alimentos no se puedan almacenar en congelación indefinidamente. El tiempo que un alimento se puede mantener congelado en buenas condi· ciones depende del tipo de producto (es decir, de su composición química y estructura), de su calidad inicial y procesado previo. d!!l método de congelación, del envasado y de las condiciones manterlÍdas durante su almacenamiento. El período de tiempo durante el cual el producto conserva la calidad que tenía antes de su con gelación se e:tpresa como el valor HQL (High Qua/il)' Lite). Este parámetro se define como el tie mpo durante el cual un producto se puede mantener congelado hasta que el 70-80% de los miembros de un panel de degustación es capaz: de detectar las primeras pérdidas de calidad . La relación entre el valor HQL y la temo peratura de almacenamiento es similar al tiempo de reducción decimal en los tratamientos térmicos (figura 10.11). El valor HQL es de
Copirvlo ID· COIuervoc:ión por Frio
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Temperatura de alma cenami&nt Cl (ac)
FIGUItA. 10.11 Pérd.do de lo colidad Ot9onolépheo de 10t alimentos congelodos en NnciÓl1 de la temperoturo y del rUlmpo de olmocer'lomienro_ Filen/e;
Fennemo (19751.
gran utilidad, en investigación o en el desarro· 110 de productos, para comparar la velocidad de deterioro de dIferentes productos o fonnu[¡ciones. Otro par¡jmetro de inu:n!s en relación con la calidad de los alimentos congelados es la vi· da ,lril o aceptabilidad, que se define como el
perfoda de tiempo durante el cual un producto congelado mantiene una calidad acepuble para su consumo o venta (cuadro 10.6). 1..3 vida útil de un ahmento congelado, de mayor inter~s práctico para el industrial a la hora de evaluar la cadena de distribución. es generalmente unas seiS veces superior a su yalor HQL. Estos parámetros dependen en gran medida d~ la t~mperalUra '! d~l tiempo del almacenamiento, siendo I&s fluctuaciones de la tempera-
lUta uno de 105 factores más adversos para la calidad de los productos congelados. Estos pa · rámetros pueden calcularse por el método de toluoncio de tiempolumptNlfuro (TIT) que tIene en cuenta la cin!!rica de aquella reacción responsable de la limitación de la vida útil de cada producto congelado y su dependencia de la temperalura. Tambi!!n es Importante mantener una humedad relativa adecuada durante el .11macenami~nto en congdación. Sin embargo, al emplearse temperaturas más bajas su repercu· sión en lit calidad de los alimentos congelados es menor que en los refrigerados, sobre lodo si el control de la temperatura y el envasado de los productos es adecuado. Se ha reconocido, además, la lmportancia que tienen en la calidad de los productos congelados la calidad intrínseca de la maleria prima , la óptima realización de los procesos tecnológicos propios de la congelación así como otros au)(iliares (por ejemplo, el escaldado) y un enyasado adecuado «(aclores PPP; prOdUCI, procasifl.g, packagifl.g = pro· dUCIO, proctsado, t:nvosodo). La vigilancia de estos factores puede ser más eficaz para conseguir una calidad adecuada de 105 productos
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Tecnolog;a de 10, AJim.n¡aJ. (IJ Componen/el de laJ olim"""a' y proceJa,
congelados que la reduccIón de la temperatura de almacer.Jmi:;'l:". Dada la repercusión de las fluctuaciones de la tem?eratura durante el almacenamu!:nto en la calidad de los productos congelados, se han desarrollado diversos indicadores para mostrar de forma sencilla la historia térmica del producto tras su congelación e indicar la vida útil res· tanteo La mayoria de estos indicadores consis· ten en etiquetas autoadhesivas que se aplican a los envases del producto y se pueden inspeccIOnar en cualqui~r punto de la cadena de dlstribu· ciÓn. Habitualmente se basan en reaccior!es químicas o entimaticas. o en la simple difusión de un cornpt:esto, que pro~'ocan modificaciones en el indicador. Estas modificaciones han de ser irreversibles y depender de la temperatura de forma análoga a la mayoría de las reacciones fi· sicoquímicas. Los más sencillos muestran un cambio de color cuando se ha e.'tcedido una de· terminada temperatura, pero no indican el tiempo que el producto ha pennanecldo a esa tempuatura. Otros lOdicadores más .1vanz.ados estiman la pérdida de vida útil de! alimento con una velocidad de cambio similar al deterioro del alimento. En la fisu ra 1012 se muestran dos indicadores de tiempo-temperatura de este ti· po. El indicador Fr~hChtc~ se basa en la polimerización en el círculo interior de un:!. fina ca· pa de un monómero. La polimerización, depen· dIente del tiempo y de [a temperatura, provoca el oscureCImIento gradual En el punto final de la transformación, md¡cando la e:qmaclón de 13 VIda útil del producto, el color del centro se yue!ve tan oscuro o más que el anillo extenor de referencia. El fundamento del Indicador de la figura 1O.12 .b tambi~n es un cambio de color en un indicador de pH en el interior del círculo, como consecuencia de una reacción enzimátJca. que se compara con la escala del amllo enenor.
•
10.4.6. Importancia del estado vi/reo en la estabilidad de 10l alimenlo5 congelado,
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Tradicionalmente se ha considerado que la estabilidad a largo plazo de los alimentos de-
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ACE?TABlE
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CAOUCADO
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rlCUtA 10_ 12 !"d,ccdof~\ ¿~ li ~t:1;::e-fenpe(CMa para prodlJerol congelados a) Fresh.checJt3 y b) indicador bolodo en el cambio de colar del círcvlo
¡"Jerno {lol porcenta jes muestran lo eqIJivolencio del color con le vida ¡'Iil leslOnte) .
pendía casi exclus¡vamente de su a~. La Q.., es un c:¡ncepto termodiDamico que fue desarrollado para solUCIones ideales en cl)ndiciones de :~\::!:':mo (capítulv Sin embargo, los ahmentas tienen una composición muy heterogé· nea y, en algunos casos, una elevada concentra· ción de solutos. En estas condiCIones [os ahmentas no se pueden considerar como s1stemas en equilibno tennodinámico y. por lo tanto, la aphcación del conceptO de a~ requiere ciertas precauciones. Éste es el caso de los alimentos congelados en los que, al formarse los cristales de hielo y,elimmarse progresIvamente el agua de la solucióo, los biopolímeros (proteinas y polisacáridos) Ylos carbohidratos de baJO peso mo[ecular llegan a formar estructuras amorfas. Se ha sugendo que en esta situación la establildad
2,.
Copitvlo ID: COflSllVociÓtl por frjo eSli gooernada por propleciacie~ dinámi.:ai (movilidad, difusión, etc.) en vez de tennodinámicas. Estos conceptos de la dim.imlca dd uta· do vÍlreo, que se tratarán a continuación, también son útiles en otros procesos tecnológicos en 105 que el agua se elimina en un corto puio· do de tiempo (horneado, concentración. deshidratación, extrusión, etc.). Mientras que la a_ relaciona la estabilidad de los alimentos con la dlSpOfUbilidad O capacidad del agua para actuar como disolvente, en la dinámica del estado vitreo la estabilidad se considera relacionad:t con el estado risico del alimento y, más concretamente, con la microviscosidad y la difusión de los compuestos químicos (dependientes. a su vez, del contenido y propiedades del agua). Es convenien te sella lar que ambas altemativas no son e.tcluyentes, sino complementanas y aplicables en situaciones diferentes Para facilitar la comprensión de estos con· ceptos es conveniente recurrir a los diagramas de estado. Los diagramas de estado contienen informaCión sobrc los c
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(corocterhtico de codo 501uro) y lo corle~pondienre concentracIón de ,olido) de 110 salucion e~ Fuen/tr Fennemo I ¡ 996J .
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H(¡uido pero con una viscosidad superior a 101> Pa.s, en oposiCIón al estado cristalino quo! se caractenza por una elevada organización . El estado vltreo se ronna cuando una solución de un compuesto con estruCtura molecular desordc;nada se enfria (o se concentra) muy rápidam~nte a una temperatura inferior a la temperatura de equihbrio de cristalizadón. El cambIO do:! estado liquido superenfriado y concentradu, de consistencia Viscosa o !lomosa. al estado sólido vítreo se denomina tTafUlciófl ",ilrea y se considera como UD cambio de fase de segundo orden. Aunque no implica una variación en el calor larente, se puede detectar?Or la .. ariación de olras propiedades (capaCidad calorífica. viscosidad. conSfante dieléctrica, etc.). Este cambio tiene lugar a una temperatura, o más euc·
la transición vftrea radIca en que marca un cambio abrupto en el comportamiento físico y quimico de los alimentos y. por lo tanto, en su estabilIdad. A temperaturas inferiores a la T" la viscosidad de los materiales vítreos es muy ele· vada y constante (figura 10.14). En esas condIcIones la movilidad molecular y el volumen libre están severamente rest:1rtgldos. por lo que la velocidad de las reacciones y la cristaliuclón de! agua se reducen notablemente. Por el con· trario, cuando la temperatura supera el valor de T . la vis:osidad disminuye significa¡ivamente, t1cilitando la movilidad molecular. Esta mayor capaCIdad de ddusión molecular favorece los fe· nómenos de recristalizaclón y el desarrollo de dlvef"YS reacciones alterantes. De todo esto se dedu~ que los cambios o propiedades físicas de los alimentos, que en su mayoría dependen de la difusión molecular, uf como todas aquellas reaCCIones químicas que dependan más de la dIfusión que de la reactividad química. estarán COIltroladas por la T (cuadro 10.7). Algunas reac. Clon~s en las que lOtervlenen compuestos no
tamente un r~ngo de temperatura, caracterisfica de cada compuesto, que se denomina tt.m puarura de tTons ición 'Iúrea (T ). En el estado vftreo la movilidad translacionJ de las mol~cu las es fan reducida que no pueden alcanz.a.r la conformaciór, 'J el empaquetafTllento propIos del equilibrio (estado cristalino). la viscosidad es tan e!evad¡ que impide la reorganizaci6n de las mol~cu¡as en una escala de tiempo prjcti ca. por lo que' el estado v(treo se considera en equihbno metaestable. Entre los componentes de los alimer.tos que pueden encontrarse en este estado pueden citarse los biopolímeros (prolelnas como gelatIna, elastina y gluten y carbohldratos como amilon y amilopectina) y algunas moll!culas pequeñas como monosacándos y oligosacáridos. Durante la congelación, la transición 'lÍtrea tiene lugar cuando, al disminuir la temperatura y rormarse los cristales de hielo, los sólidos concentrados al máximo en la fracción liquida no congelada se transforman en una matriz sólida amorfa (estado ~·itreo). la gran importancia de
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vheo~idad , r':Qvilic!cd l'Iole::"'Jl ::;r, vobm. n lib r. y v.locid::;¿el r.!c:iV1;:l
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Capitulo 10: COfIJ'rvoóón por Frio
219
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miscibles en la fase amorfa que contiene el agua, como por ejemplo la oxidación de los lípidos, no dependen de T y pueden progresar mcluro a temperaturas inferiores. En la figura 10.15 se han representado las sucesivas transformaciones que experimema un alimento durante la congelación lenta. En primer lugar se ha de eliminar el calor senslbk (segmento AS), pero es necesario un sobreen[riamiento para que se inicie la nucleación (punto 5). Al comenzar el crecimienlo de los cristales de !\Ielo, la hOerac¡ón del calor ¡a¡ente de fusión provoca el aumento de la temperalUfa (punco C). La eliminación continua de calor provoca la formación de más hielo y la modificación de la fase no congelada (aumento de su concentración y disminución de su punto de congelación) (segmCllto C-TE). En un alimento complejo, el punto TE es el primer punto eut¿ctice correspondiente a la saturación del 50luto menos soluble. Pero durante la congelación de 105 alimentos complejos, los eutécticos rara vez cristalizan en su punto eut¿ctico o a temperaturas inferiores, más bien los solu tos se encuentran en un estado supenalurado y meta· estable (fase líquida amorfa: segmentO TE,O). Es evidente que en este ejemplo, al igual que
flCUU 10.15 Di09romo de ellodo de uno mudo binario en el q~ se muellron los IronsformoeiOtles que hen,n luso: ¿ufoMe 1:: congelocion y lo eslc!'¡. lidad d, los propiedodes _que deper.den de lo d¡fl)sión moleculo, Fueme: F.nnemc (199ól.
en algunos alimentos. la temperatura habitualmente recomendada para el almacenamiento en congelación (-2O.C. punto O) es supenor a la temperatura de transición vítrea. Como se ha indi:ado anteriormente, en esas condiciones la movilidad molecular será moderadamente ¡n:e¡;s~ Y!:!$ r!C'pied.ad~$ químicas ~ físicas que dependen de la difusión serán relativamenle Inestables y muy dependientes de la temperatura. Para eVitar estos problemas sería necesario reduci r aun más la lemperatura para que se forme más hielo y la concentración de los solutos aumente hasta alcanzar las condiciones del punto T,'. En este punto, T', la fase supersaturada no congelada se transtorma en una matriz amorfa en la que quedan incluidos los cristales de hielo. La T,' (temperatura a la que la fase no congelada llene la máxima concenl ración) es un punto prácticamente Invariable para cada alimento que depende fundamenlalmente de su composición de solutos y, en segundo lugar, de su contenido inicial de agua La eoneenlra-
220
r.crtologio
eJe lo, A1imeMlJ. {tJ
Componetllel de
ción de 501ulOS (Cr ') ya no aumentará más a pum del punto T', aunque p(:)siga el enfria· miento eHminándo'se calor sen~ ible (punto E). En este punto E, inferior a T ', (1 alimento tent drá la máxima estabilidad porqL:e la movilidad molecular es prácticamente ineXIstente. El conocimiento de la tempe ·atura de tran · sición vítrea har.i posible. por lo :1nto. predecir e[ estado físico y la velocidad d,: [a alteración de [os alimentos congelados (figura 10,15). Se considera que la estabilidad de ios alimentos congelados está asociada a la exjHencia del es· tado vítreo (T < T). Si la temperamra del pro· ducto es superior > T). la estabilidad será vanable y la velocidad y ~a magllitud de estos cambios estará det~rmi ilada por la diferenCIa de temperatura (T·r). ya que la movilidad . molecular tLene una gran deper:Jencla de la temperatura. El'!. e:! cuadro 10.8 se recogen I: s valores de la temperatura d~ transición vítrea detennina' dos para algunos alimentos congdados en los que se ha alcanzado [a concentra·:ión máxima de sotut0'5. Estos datos put!den ser de gran Utl· lidad para el tecnólogo "de alimentos. que ha de tener entre sus objetivos el que los alimentos
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alcancen ese estado ! :: !! q::! la l~r.¡jmJ de la reorganización molecular asegure eo la prácti· ca la estabilidad d~ 101 productos. La aplica· ción de estos conceptos permitirá mejorar la calidad de los alimentos congelados, no sólo .durante su congelación sino tambLtn durante su almacenamiento. Por ejemplo, se podrá de· terminar cuál es la velocidad de congelación óptima para reducir al mfnimo la cantidad de agua no congelada (gualmente, la vida útil se· rá mayor si la lemperatura de almacenamiento se mantLene por debajo de la temperatura de Hansición vítrea Otra alt~rnativa pOSible es la reformulación de !os alimentos congelados pa· rOl que el valor de la T, sea supe.rior al de las temperaturas habituales de congelación (por eje.mplo, por la adición de algunos polímeros). Para finalizar, es necesario señalar que aunque. la uti lidad práctica de 13 temperatura de. transición vflrea haya sido reconocida desde un punto de vista teórico. la determinación exacta de. este parámetro físico entraña cierta dificul· tad debido a la nalural~za hete.rogenea de los alimentos y a la baja energfa asociada con la transición vítrea. Actualmente, hay gran inte· res en la optimización de los mttodos para su deeenninación y en la elaboración de bases de datos que, sin duda, serán de gran ayuda para la industria ahmentaria.
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10 4.7. Otras aplicaciones de la congelación Debe mencionarse que la congelación pue· de tener OHOS objetiv~ disemlos a la conserva· Clón, como por ejemplo la separación de algún componente dd alimento tras su crista/iLaciÓn. este es el caso de la concenuación de ciertos alimentos líquidos, ya que durante la congelación $e fonnan cfLStales de hLelo puro que se pu~den Separar fácilmente de la fase líquida concentrada. Tradicionalmeote so! ha empleado para ajustar el contenido alcohólico de sidra y vino. La concentración por congelaCión está es· pecialmente indicada para aquellos productos en los que la aplicación de calor puede provo-
Copítulo 10: ConJefyoción por frío
car iU de¡e,iuro. C.;:lr.lC ¡;'¡::-.~1 ¿e :;-utas, 3:.!:':G:;! hay que tener en cuenta que el coste es elevado y I! concentración lograda limitada. Tambi¿n es útil para reducir la acidez en vinos. por la formación y separación de cristales de ácido tar:árico. Algunos alimentos no se congelan para aumentar su vida úul, !lno para oorener una ei· tnlctura y textura determinadas , A diferencia del resto de los a[¡mentos conge lados, no son de!congclados antes de su Consumo, como por eje :tplo helados, sorbetes o yogur congelado. Finalmente, la liofilización requiere la con· gellción previa de los productos ~ue se van a prcc:esar (capítulo 11) .
10.5 . Producción industrial de frio la aplicación industrial de frío ha requerido .. el desarrollo de sistemas para su producción cOllunua y controlada, que se pueden dividir en dos grandes grupos: mecánicos y cri~toico$ . f05.1. SiJ /emoJ mecánlcoJ
Se trata de mtemas cerrados que actúan básicamente como una bomba que extrae el calor del alimento o de un recinto que se encuentra
22 J
{o = c~d ~!! p!e!e::d~ ~!ca!Uar)! un~ bi!;! I ~m peratura y [o transfie re a otra parte de! sist::ma donde se disipa. Esto es posible gracias al em. pico de flu.idos rejflgeranltS que recircu!.ln a través del sistema en un circuito cenado y E n el que se transforman sucesivamente de líquido a vapor y dI! vapor a liquido. En la figura 10.16 51! muesaan los principales elementos dt· un sistema de refrigeraci6n mecánico típico. E.;!os sist:mas son los más habituales, talllo en grandes instalaciones comerci",les como en los r!frigetadore.s domésticos. Los f1uidos refrigeran tes tienen, entre cuas propledJdes, una temperatura de ebullición a presi6n atmosftrica inferior a los O·C y ur calor latente de vaporizaci6n muy elevado. Los mas empleados en la industria alimentaria son el amoniaco y diversos hidrocarburos haloge . nades (freor.es), cuyas características más 1es· tacables se muestran en el cuadro 10.9. La pane útil del ciclo de refrigeración tiene lugar en el tvaporador. que es básicamente un intercambiador de calor, en cuyo interior el re· fri gerante en estado líquido $e evapora lOman· do para ello calor (calor latente de vaporización) de un medio más caliente, que puede ser el alimento que se va a enfriar. el aire u otro fluido El resto de los componentes del circuit:> tienen como misión recuperar las condiciones imciales de ese fluido refrigerante. El refrige.
FI(i.URA 10 ló. Oiosramo de 1./" cirCUIto de refrigeración m..::!nico 01' color rronsferodo 01 refriseronr.; Q:, celor cedido por el r.ms~onle, W, Iraboro reorizado poi" el eompt.~.
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rante evaporado fluye al comprfior, donde es compnmido (aumenlando al mismo lIempo su temperatura) a una presión lo suficienlemenle alta para ser COndensado en otro intercambia· dar de cator (condensador) empleando parO! ello aire o agua fría. En el condensador se elimina, por lo tanto, el calor cedido por el aire o alimento al fluido refrigerante para su el·apora· ción más el adquirido por este ¡luido durante el proceso d~ comp~esión. El refrigerante condensado fluye a un tanque de mantenimiento, del cual pasa de nuevo al evaporador a través de una válvula de upansión. Cuando el líquido se expande (expansión isoentálpica) su temo peratura disminuye, alcanzando las condlcio· nes originales para iniciar de nuevo el CIelO Todo esto es posible gracias a la energía mecá· nica suministrada por el compresor, siendo neo cesario un adecuado diseno del sistema para eliminar la mayor cantidad dc calor posible con el mínimo coste . En estos sistemas de refrigeración mecánIca los refrigerantes primarios (amoniaco o (reo. nes) no contactan nunca directamente con el alimento, sino que enfnan a otro mediO (aire,
agua y Otros fluidos o superficies metálicas) que sí \'a a contactar con el alimento al cual enfrian.
10.5.2. SjsJemas cr;ogenlcos En la industria alimentaria también se emplean abundantemente sistemas de refngeracién abiertos basados en el empleo de líqu.idos cr~"gtnicol O gases licuados Estos compuestos criogénicos tienen un punto de ebullición muy baJO y un calor latenle de vaporización bastan· te elevado. Los más habituales son el dióxido de carbono (COz), liquido o sólido (nieve carbónica), el nitrógeno líquido (N"z) y, ant iguamente, el diclorodifluoromelano (R-12 o [reón 12), cuyas propiedades más destacadas se seña· lan en el cuadro 10.10. No existe en este caso conexión con una planta de refrigeración, sino que los gases se licúan en otras instalaciones industriales y se transpOnan a la industria aiL· mentaria en reCipientes presuritados a baja temperatura y aislados. A diferencia de los sistemas de refrigeración mecánica. el alimen to se enfría por confactO dlreclO con estos líqUidos.
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los cuales al lomar calor de los alimemo$ para su evaporaci6n o sublimaci6n aseguran la acción refrigerante. Al ponerse en contacto con el alimento a presión atmosférica, el Nlliquido hierve a -196·C y se transtormJ en gas absorbiendo del alimento el calor latente de vaporizaci6n (200 k.I kg-: de 1'9 Tras este cambiO de estado. el gas nilróge· no a -196·C conserva una gran capacidad de enfriamiento porque puede captar calor sensible al calentarse hasta -18 ·C (182 kl kg- l ). El COz líquido almacenado a baja ¡emperaJUra y elevada presi6n se transforma a presión atmosférica en sólido (nieve carb6nica) y en gas. El poder refrigerante del COl se debe fundamentalmente a la sublimación de esta nieve carbón ica al COnlactar con el alimento (A, :: 5n kJ kg· 1 a -78 oC); el gas a - 78 ·C formado tras la sublimación tambl~n absorbe calor sensible al calentarse hasta -18 oc. El poder refrigerante lotal, igual a la suma de l calor lalente má. el calor senSible absorbidos. del N1 y del CO, es 382 y 623 kJ kg-I respec(¡~ameí:;e (conside[an-
do para el CO, únicamente la capacidad refrigerante de la n;eve carbónica). El empleo de líquidos criogénicos tiene un cOSle más elevado que los sistemas de refrige. ración mecánica. porque su precio es superior '! generalmente no se pueden reutilizar. aunque se compensa con la obtención de productos de mayor ca lidad
105.3. NectwdadeJ de reFrigeración La elección y el diseño adecuados del siste ma y equipo que hay que emplear para la refrj · geración o la congelación requiere conocer la cantidad de calor que se ha de eliminar. La carga de refrigeración es la cantidad de calor que se debe elCtraer del alimento que queremos refrigerar Ocongelar, expresada como k,1 kg-I . En el caso de la ref rige ración, esta carga se· rá la cantidad de calor que hay que eliminar para reducir la temperatura del alimento desde un I'alor inicial hasta el adecuado para su alma-
224
TeCllOlogío de/aJ AlimenloJ.
{II Camponllnllll de 105 alimllnlOl y prOCIHOl
cena miento. Dependerá básicamente de la masa IOtal del produclo, de su calor específico a temperaturas superiores a la congelación y de la. diferencia e.listente entre la temperatura inicial y la final deseada:
e) El calor sensicle que es necesario eliminar para baja! la temperatura del producto desde el punto de inicio de la congelación a la te ·npera tura fina] deseada:
(10.5) (10.2)
c" '"
donde m '" masa del producto (kg); calor especifico del producto para temperaruras superiofes a las de congelación (kJ kg· 1 'C-1); 8, = temperatura inicial (oC) y 8[ '" temperatura final de enfriamiento (~C). Si se trata de frutas y hortalizas hay que tener en cuenta que son metabólicamente activas 'f están generando, en mayor menor medida, calor por respiración aeróbica. Este calor debe ser eliminado de forma continua para que la temperatura del producto se mantenga constante. El calor de respiración de diversas (rutas y verduras puede encontrarse en el cuadro 10.2, así como en diversos manuales.
°
Si consideramos el caso más complejo dt la congelación de un alimento, de una forma simplificada y considerando que todo el hielo seforma a la temperatura a la que se inicia la congelación, la carga de refrigeración se puede considerar como la suma de tres componentes: a) El calor sensible que es necesario elimi·
nar para reducir la temperatura del alimento a la de inicio de la congelación: (10.3)
donde CI'I '" calor específico del alimento para temperaturas superiores a la de congelación (kJ kg- I ~C-I) y 80 '" temperatura de inicio de la congelación de! alimento (oC). b) El calor latente asociado al cambio de estado a la temperatura de congelación:
donde Ac == calor latente de fusión (kJ kg-!).
donde C!'l = cabr específico del alimento para temperaturas inferiores a las de congelación (kJ kg-I ~C-I) y el'" temperatura final ('C). Por lo tanto, para estimar la carga de refrigeración es necesario :onocer el contenido en agua del alimento, el ~Ufi[O en que se inicia su congelación y algunas propiedades térmicas como el calor específico del producto antes y después de la congelacio,1 y d calor latenle del cambio de estado. Todos estos datos se pueden encontrar en manuale!; o se pueden estimar de forma bastante aproximada empleando senciHas fÓ!1l1uJas (Le'NÍs (1993); cuadro 10.11). El contenido de agua mfluye significativamente en la carga de refrigeración por los siguientes motivos. En primer lugar, porque no todo el agua del alimento se congela y la úacclÓn de agua que lo hace es la que determinará la cantidad de calor que hay que eliminar asociada a su cambio de fasc. Precisamente la mayor parte de la energía necesaria para congelar los alimentos sc emplc ... para absorber el calor latente de fusión. En segundo lugar, el calor específico C~ los 2!imen:os depe;J.c.erá de su contenido de agua y de su estado físico. El calor específico del agua (4,18 kJ kg-I 0C-1 a 15 ~C) es mucho mayor que el del resto de los componentes de los alimentos. Los alimentos con una gran proporción de agua tendrán valores de calor específico mucho mis elevados que los de menor contenido en agua. El cambio de estado físico der'agua, de líquido a sólido, supone un cambio drástico de su calor específico, siendo el del hielo.2,04 k1 kg- L 0C- 1 a O ~c. El calor específico de los productos congelados, por lo tanto, será aproximadamente la mitad del que tiene el alimento fresco (cuadro 10.11). Es de-
Capitulo IO:-Comervocicin por frio
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cir, se requerirá una menor cantidad de energía oara reducir la temoe.ratura de los alimentos congeladoso Y, por ultimo. el puntO de conge/ación de un alimento también depende de su contenido en agua. Aunque estrictamente hablando los alimentos no tienen una temperatura de congeladón fija, como ocurre en el c.uo del agua pura, para Simplificar los cálculos se emplea normalmente la temperatura a la que
se inicia su congelació n. Este valor suele oscilar enlre -1 v -) oC. pero SI no se conoce con exactitud se estima un valor de - 2,2 oc. Para que la refrigeración y la congelación sean satisfactociu es necesario, además, que el cambio de temperatura del producto K lleve a cabo en un periodo de tiempo adecuado. La velocidad de congelación depender.i del balanr:::e existente entre la fuerza conductOra y la re -
226
Tecrn:Jogfa de los Alimentos.
mCom~"'J de los olimenloJ y pioceJOJ
sislencia a la transmisi6n de ca.lor, siguieodo los principios aplicables a esta, La fuerza conductora es sencillamente la diferencia de temperatura que existe entre el alimento y el medio frío empleado. La velocidad de congelación dependerá, además, de:
La composici6n química del producto, en concreto de la conductividad ténnica de su~ componentes, la d isposición fíSica de ¿stas, la superficie de contaclo del alimento con el medio frfo y su espesor, La conductividad térmica de la grasa y del aire es inferio r que la del rest o de 10$ componentes, por lo que los alimentos con un elevado contenido en grasa o de air~ atrapado se congelarán más lenta· mente, Además la conductividad ténnlca del hielo es mucho mayor que la de! aglla, siendo el descenso de la temperatura del alimento más rápido una vez congelado. También es importante tener en cuenta la disposición de los di$untos componentes. Una emulsión o1w se con· gelará más rápidame nte que si las fases eSlán invertidas (e mulsión w/o) y una pieza de carne con la grasa homogéneamente distribuida se congelará a mayor velocidad que si la grasa se encuentra como una capa superficial, la cual actuará como aislante. En el músculo también influye la orientación de las fibras musculares con respecto a la superficie fría empleada. b) El resto de los (actores que se han de considerar son el efecto refrigerante del medio empleado (calor latente de vaporización, si hay cambio de estado, y/o calor específico), su velocidad y el grado de contacto con el alimento. En general, la velocidad de .congdación será mayor cuanto mayor sea el efecto refrigerante, el movimiento del fluid o y el grado de contacto. También hay que tener en cuenta que si el alimento está en vasado, el envase siempre supo ne una dificultad a)
adicioni!.l a la transmisión de calor, ciendo la velocidad de congelación.
r~du ·
Los términos velocidad de congelaci6n y tiempo de congelación están relacionados: cuanto mayor sea la \'elocidad de congelaciÓn menor será el tiempo. Para definir el tiempo de congelación existen dos alternativas. El titmpo de congdación nominal es el período de tiempo que transcurre desde que la superficie del alimento ha alcanzado los O ·C hasta que el centro térmico alcanza 10 ·C por debajo de la temperatura iniclal a la que comienzan a for marse cristales de hIelo en él. El conocimiento del tiempo de congelación nominal es de Ira!! utilidad para tstlmar el daño en el producto durante $U congelación, porque esta relacionado con el tiempo que tarda en formarse la mayor parte del hielo en el alimento. También se emplea en ocasiones el ¡itmpo dt congdación tftctivo, que es el necesario para reducir la temperatura de un ahmento desde un valor ini· cial hasta OIfO final predeterminado en su ceno tro térmico, Este parámetro es de gran interés para el indus trial porque se relaciona con la capacidad física del congelador o el tiempo total que un alimento debe mantenerse en él. La mayoría de los métodos disponibles son para predecir el tiempo de congelación efectivo, aunque los cálculos son baslante complejos por los cambios que se produ:en en los alimeutos durante su congelación y la influencia que tienen estos cambios en las propiedades del producto. La potencia frigo rífica o cOfga dt tnfriomitl1fO necesaria no s6lo ha de lener en cuenta la cantidad de calor que hay que eliminar del producto y el tiempo en que ha de llevarse a cabo, sino también las pérdidas de calor que puedan producirse. Entre las fuentes de pérdidas más importantes hay que se~alar el flujo de calor a través de paredes, suelo y techo, el cambio de aire por infil tración o apertu ra de las puertas y las pérdidas inl=ldentales (calor cedido por los obreros. las Cuentes de luz y los motores eléctricos). A la hora de seleccionar el
Capitulo JO: Con~rvociOn por frío
equipo a la carga de enfriamiento total norma.!mente se le suma un 10% como margen de seguridad.
10.6. Merodca Y equipos
...
Los métodos disponibles para la refrigeración y la congelación en la industria alimentaria se pueden cons iderar divididos segün empleen sistemas mecánll:os o criogénicos para la producción de frio . ElCisten diseños para el procesado discontinuo. semlcontinuo o continuo. Los productos pueden ser refngerados o congelados antes o después de ser envasados. La principal desventaja del envasado pre\;o es [a resistencia del envase a la transferencia de calor, pero puede ser de gran mibdad para evitar una deshidratación elCcesiva o la contaminación de los alimentos con el medio de refrigeraciÓn. Los métodos basados en sistemas mecánicos se subdividen a su vez en función del medio de eoCriamien!O,
A) Aire
El aire como medio de enfriamiento tiene, entre ouas, la gran ventaja de su polivalencia. Además de su compatible con todos los alimentos. permite prlXesar una gran diversidad de productos simultáneamente, independientemente de su forma o dimensión. El principal problema se debe a sus propiedades térmicas. en concreto un bajo coeficiente de transmisión de calor en la superficie de los alimentos. Su eficacia se puede mejorar aumentando la velocidad del aire, ya que así disminuye la capa de convección está(!C3 que rodea al alimento que dificulta la transmisión de calor. Otro problema es la desecación de la superficie de los productos sin envasar, que limila el empleo de velocidades muy altas. Esta humedad, además. se puede condensar y formar una capa de escarcha en los evaporadores, reduciendo la eficaCIa
227
del enfriamiento del aire _Para evitarlo, la temperatura del evaporador se mant iene a una temperatura Itgeramente inferior que la del aire circulante o se roclan los serpentines del evaporador con un anticongelante (como po_ li::tilenghcol). _" p~sar de estos inconveni!:ntes, el aire es uno de los med'IOs m-ás empleados para el enfriami::nto en la industria alimentaria.
B) 5uptrficles frias
Se incluyen aqul los métodos en los que el alimento. e¡¡\"asado o no. está en coa:a::to con una superficie que a su vez está enfriada por un refrigerante Se habla de funcionalTl!!:nto directo cuando la superficie de intercambio está enfriada por el refrigerante primario (amoníaco, lee6n) y de ñ'ncionamiento indirecto cuando se emplea un r~frigerante secundariO (por ejemplo, una salmuera) En eSte últlmo caso, el control es mayor porque se amoniguan las fluctuaciones de temperatura de la instalación frigorifica, pero el rendimiento suele ser peor. La eficacia de estos métodos depende fundamentalmente del grado de contacto del alimento con las superficies frías. Es decir, no son muy otiles para alimentos irregulares que no contactan uniformemente con las placas, pero se para alimentos planos y de poco grosor y para ali~~ntos contenidos en eovas!:! con su?erficies geométricas lisas y completamente llenos (la presencia de aire en el envase dificultaría la transmisión de calor).
C; Liquldos
Se engloban aque todos los fluidos o refrigerantes secundarios. distintos del aire , que contactan directamente con el alimento, envasado o no, y que suelen ser a su vez enfriados por un refrigeranle primario. Estos fluidos tienen [a ventaja de ser mejores conduelO res de calor que el aire , siendo posible obtener una mayor velocidad de enfriamiento. Se suelen emplear,
228
Tecnologia :le los Alimentos. (I) Comporl.nhu d. lo. olimenloJ y prOC!UOJ
además, sistemas ¡¡ara la agitaci6n del medlo refrigerante para IT ejorar la transmisIón d~ ca ior. Cuando el obje:ivo es enfriar los alimenlOs a tem peraturas superiores a las de congelaci6n puede: emplearse a!Ja fria y/o hielo. Pero si se desea alcanzar una temperatura inferior se requieren soluciones de compuestos con un punto de congelación por debajo de O ·C. En el cuadro 10.12 se ¡ne tca la concentración y la temperalUra eut~cti,as de algun:l.s de las soluciones más empleadas en la Industria alimentaria para eSlOS fines. f(isten cienas limitaciones en cuanto a los posibles refrigerantes que se pueden emplear, sobt ~ todo para el procesado de alimentos sin envuar. Es necesario que carezcan de toxicidad, (liJe no impartan a los alimentOs olores, sabor~s o colores anómalos y que los restos que plledan permanecer en el producto sean aceptables. Si los productos es· tán envasados, el refrigerante ha de ser compatible con el material del envase. los métodos huados en líquidos cnog¿nicos, en contraste"" con los mencionados hasta ahora, no dependen de ninguna instalación frigorific!. LO'5lfquidos cti"Jgenlcos se diferencian de los refrigerantes secundanos indicados eh el apartado anterior en que cambian de estado al absorber del alimento el calor latenle necesario. La principal ventaja que tiene el enfriamienTO crio~énico es su gran rapidez, porque el saho t~rmico entre el produclo y el lfquido criog~nico es muy ~randl!. El refrigerantc, ade· más, cootacta iOlimamente con todas las partes
Cu,t.OlO 10.12. Va lore •• ~Ifl:~~a. d. olguna. ca"'p~.oIO. empleado. hc",IUQI"",,,,,, e" lo ;~du.rr,o al'm.."",roa oomo ' .
IrlQe"I"r., 1oKI,I!C!ano. ' "': ·Co"'OaP'l~
eu-':rica 1"41
00<...-0 .oo;co Cloro..., cálcico> Clot....., .-..agn.sica
21.4
.- r.....pe'a''1"a - • ...tWICCI
rel
JO.O
-21.2 -51,0
22,0
.S2.o
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SacaroiCI
G!i<;etaI
67,0 60,0
.... 7.0 -51.0
P'opil.nglicol
-9.5
del alimento, sin que las formas irre~ulares supOOl¡an un proolema. Esto hace que los coeficientes globales de transmisi6n de calor sean extraordInariamente favorables. El poder refrigerante de estos compuestos es grande porque el valor del calor la tente de cambio de estado tambi~n es relativamente elevado. Un inconveniente de la congelación muy rápida es que los productos frágiles pueden resquebrajarse, e in· cluso estallar, cuando contactan con los liquidos criogénicos durante un período de tiempo prolongado como consecue ncia de te nsiones intemas derivadas de contra.;;ciones y expan· siones no homo~éneas. De los líquidos criog¿nicos más habituales, tiene la ve:lIaja sobre el N, liquido de el tener un punto de ebullición superior a presión almosfénca, siendo menor el choque térmico que sufren los alimentos. Un inconveniente del COl es que pu~de ser absorbido por los productos sin envasar y, al combinarse con el a~ua, g~nera ácido carbónico, modificando el pH y sabor del a¡¡menra. Es nec.esario, además. un tiempo de reposo a:H~$ de .>U envasado para eVHar hlOchamientos indeseables (1 g de nieve c3rbónic3 se transforma en 0,5 1de gas).
ca.
/ O.Ó. /. Equi.ooJ ~mp/eadoJ pero
lo refrigeración
La mayorÍ3 de los eqUipes empleados en la industria alimentaria para la refrigeración de los alimentos sólidos empl~an aire ~u movimlenlO (convección forzada) como medio de enfriamiento (figura 10 (7). Los principales problemas de la refrigeración con aIre son la deshidrataci6n de los productos y la posibilidad de que se congelen si la temperatura del aIre es inferior a O oc. Entre las aplicaciones pueden citarse la refrigeración de carne, di ver· sas frutas y productos envasados. La convecciÓn fcirzada también se emplea durante el transporte de los productos refrigerados. En algunas vItrinas y mostradores de exposición e n los comercIOS, el aiTe fIjo se mueve tan sólo por convección natural.
Capitula 10: Con.s,rvociÓl! p ar Fria
229
FIGU'tA 10.17. Esquemo de la l&Cción lTonl~e(sal de uno eómarQ de refnge rQ. ciÓn. los A&chol indieon el mo~;mlento d.1 Qire en el inlerior d. lo camQ(Q Fuente: Gn.rdc y PosIQI,k¡ (1986J
Los alimentO! líquidos (po r ejemplo. leche, tumos) pueden enfriarse en intercambladore5 de calor de placas mediante agua fria y los pas· taws (por ejemplo, man!equi1!a. marga rina) en intercambladores de calor de superficie barri· da. por contacto directo con superficies meta!i· COlS
fria).
El empleo de agua fria (próxima a O oC) para la inmersión o ct rocIado de [os alimentos (hidrocnfril!micmo) e:s UDa ahemativa simple, económica y rápida. Es de gran utilidad para productos de pequedo tamaño y muy indicado para frutas y hortalizas. trasladándose mcluso e l equipo al punto de recogida (hidrocnfnadores).
Tambi¿n puede aplicarse a productos de poco espesor envasados en materiales Impermeables al agua. El enfriamiento con hielo picado o mezclas de agua-hielo también es efectivo si se realiza adecuadamente . siendo su principal aplicación la refrigeración de pescado. Un ~ooe ~ refugeraCT6n m'lY rápido y económico es el cnfrio.micmo o. vado. Es adecuado para alimentos porosos y con una elevada relación superficie/volumen que pennlCan que el vapor de agua escape fácilmente (por ejemplo , lechuga). Los alimentos se introducen en una cámara y al apl icar vacío (0.5 kPa) se enfrían por la evaporación del agua. La reduc-
ción de la temperatura es proporcional a la cantidad de agua evaporada, unos 5 ·C al reduci~ la humedad en un 1%. Las lechugas, por ejemplo, pueden refrigerarse a O ·C aproximadamente en unos 25 minutos. Cuando los productos tienen una temperatura inicial elevada y pueden retener agua es habitual rociarlos con ella previamente. Tambil!n es útil para la refrigeración de productos precocinados si se controla la presión empleada para no modificar su textura. El principal inconveniente es el coste del equipo. El rociado con compuestOs criogl!nicos reduce la temperatura de los alimentos rápidamente sin provocar problemas de deshidrata· ción. La nieve carbónica si se aplica en exceso puede incluso contribuir a mantener la temperatura del producto durante su transportlO.. El N1 liquido es útil para mantener una temperatura adecuada en los vebIculos refrigera· dos, al ev¡¡porane y enfriar el aire , el cual se distribuye uniformememe mediame ventiladores. Los compuestos criog~nicos tambi~n se emplean en la elaboración de embutidos para mantener una baja temperatura durante el picado y la mezcla de ingredientes. Durante la elaboración de productos con múltiples capas diferentes, ~stas se endurecen con la aplicación. de COI para acelerar el proceso.
10.6. 2. Eq!Jipos ~mpleodos paro /o CQ(J9~lac ión A) Congelación por aire
El equipo mb sencillo son las cámarlll fn. gorf{icas con aire estático (sharp frtu.ers) en las que el aire (-20 a -30·C) se mueve solamente po r convección natural. Como el cocficien.te global de transmisión de calor es pequeño y la velocidad de congelación muy lenta, la p~rdida de calidad de los productos congelados de esta forma es significativa. Normalmente no son adecuadas para la congelación, excepto para las can.ales de came, aunque se lo son para el almacenamiento de los productos congelados
por otrOS m~todos. TIenen. la ventaja de que, con tan sólo disponer ventiladores en el interior del recinto, mantienen. un. temperatura muy constante. LC'S cor.getadore¡ d! aire for:ado (blast free· rus) permiten una congelación más rápida porque el aire fria circula a grandes velocidades, normalmente a 1-6 m S-I, aunque pueden. lIegu a alcanzar los 10-15 m S-l . La cQrl.vección forzada d!l aire aumenta n.otablemente el coeficiente global de transmisión de calor. Los equipos de funcionamiento discontinuo, en los que el alimento se dispone en carretillas, son simIlares al mostrado en. la figura 10.17 y habi· tualmente sólo se emplean cuando se quieren congelar peque1'\os volúmenes de alimentos. Los (Únete! de congelación penniten 13 operadón en con.tinuo, tienen un bajo coste de funcionamiento y pueden procesar una gran 'IIriedad de productos. Los alimen.tos suelen tran.spo:urse en bandejas apiladas en vagonetas que se mueven por raOes a lo largo del tÚnel y/o mediante cintas sinÚn (figura 10.18). El movimiento del aire en. estos tun.e!es puede ser paralelo al del alimento (en el mismo sentido o en el contrario) o, más frecuememente, perpendicular. Uno de los principales inconve· nientes de este sistema es que los alimentos nc envasados pueden sufrir quemaduras por frío (?cr I:! ele\'ada \'elocidad y la baja humedad relativa del aire y por la gran d ire cencia de temperatura entre el alimento templado y el aire fria). Para evitarlo es conveniente emplear aire saturado de humedad o rociar el alimento con agua en la zona de carga para que se forme una capa de hielo que lo proteja (figura 10.18.b). Los congtladort.S en espiral se diseñaron para aumentar la capacidad de congelación sin necesidad de emplear gran.des espacios (figura 10.19). Los productos se disponen en una cinta transpomdora metálica flexible y autoapilable, que describe una trayectoria en espiral. El flujo de l aire suele ser en conlracorriente con res· pecto a! producto, con lo qUe mejora !a eficien· cia de la transmisión de calor. TIenen la ventaja
$alia.óe
d• .I¡;jua
-+--11+ BastKlor
FIGUU 10_1 8 Tú~ de congelocibn de Frick, con ci!'lto IrCMportodoro y o:orr01 poro el 1T0rllpot1e de 10, olim.t'ltoi. 01 iec~16n longitudit'ICl y b! Je"iÓt'\ trQ~werJQI.
de funcionar automáticamente y manejar produ~tos muy diversos. Los consdadores de lecho fluidil.odo se pueden considerar como una modiCi~ación de los tundes de congelación de aire forudo . Se emplean para alimentos de tama~o pequeño y uniforme (por ejemplo, marisco, guisantes, fresas, frutas y hortalizas troceadas, etc.) que se disponen en artesas con el fondo perforado (ti-
gura 10.20). EttIujo de aire frio (-25 a -35 oC) perpendicular y atraviesa hacia arriba ellecho del producto (2-13 ~m de espesor). La velocidad del aire es tal que las partículas se. mano tienen en suspensión, separadas unas de otras y rodeadas individual y completamente de aire frio. La gran superficie de alimento en contacto con el medIO de enfriamiento y el nujo turbu lento permiten que la velocidad de congelación e3
232
reu.oIog:O da 10, Alimento,. WCompon."lel de lo, c/imento y ptOCfUOI
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Entrlda el.
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10 19. EK¡uemc d. un congelador en espirel e.l al que la muellra el movimienro de le cinra rrcnlporrodoro
sea muy rápIda . A diferencIa de 105 sistemas anteriores, en los que normalmeote se obtie· nen bloques de produc!05 congelados, la con· gel ación en lecho fluidizado tlI~ne la gran yenlaja de permiltr obtener produCTOs IQF (mdIYI' dually quid í raurr. '" congelados rápida e individualmente). que se pueden manejar más (áctlmente por ejemplo para su dosificación. El aire. además de enfriar los alimentos. sIrve como medio de transpone de l produclo. Cuando [a forma o el tamado del producto no perrrulen la flUldización completa (por ejemplo . los filetes de pescado), se emplean Instalaciones muy similares a ésta con un flujo de aire transversa! al producto, que tan sólo ocasiona una ligera elevación del lecho del produclo. Para ellranspone del alimento a [o largo de la instalaCión se emplea entonces una cinta transportadora perforada. Estos equipos son muy compactos y tIenen una prodUCCIón muy elevada. 8) Cong~(ación por contacto
Uno de 105 disei'los más clásicos es el con· gdador de placas (figura 10.21). En ellos el
alimento -se d spone sobre placas paralelas y huecas, por ct-yo interior circula el fIurdo re frig
Capitulo /O: COIlservoción por Frio
Evaporac$ores
Ventiladores
b) SIJCCión tran.sversal
FIG\AoI. 10.20. ElC;vema d. un canseIodor de lecho All¡¿iz.odo: a) ~ción longirudinol y bj lI<óón lronlver$cl. en le que $e mlle$rrO el $i$rema de delOi!$Ccrche del evoporcdor.
Paquetes de
producto
Places de
flGUlA 10.21. bqvemo de vn ca'" gelader de places horizonral" de funCIQnamienro disconrlnve. Fuem,,: Srennoo. Surten. Cow,,1I y litley p
2JJ
do, para el cual existen incluso iostalaciones a bordo de los NrwS. Para los productos liquidos o pastosos (he· lados, purés, etc.) se emplea un equipo diferente, los cOlIgelador~s d~ ¡ambor o d~ superfici~ rascado (figura 10.22). Su disetio es similar al de los intercarnbiadores de calor, diferenciándose en que por su interior circula un fluido re· frigerante . Sobre la superficie del tambor se depOSIta una capa muy fina del producto, que se congela muy rápIdamente y se separa de la superficie medIante una cuchilla rascadora. Nonnalmente los productos se congelan hasta que adquIeren una consistencia pastosa. SIendo enlonces bombeados para ser distribuidos en recipientes, que pasan a continuacIón a cámaras de almacenamiento donde se completa la congelación (por ejemplo, los helados).
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rlGURA 10.22. Eu:¡vemc dI! un ,crlgelcdor de luperficie rcs.ccOc .
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C) Congelaci6n por inmusi6n
En los sistemas de congelación por inmersión el alimento es tcaMponado por una cinta sinfin
Aunque en senlido estricto la congelación por aIre debena considerarse como una fonna de congdaclón por inmersión, este Itnnlno se reserva para el empleo de refrigerantes dinin· tOS del aire .
en un bailo de refrigerante que circula a contracorriente (figura 10.23). Las salmueras pueden emplearse para pescado y las soluciones de azuca! o glicerol para frulas. pero no son adecuados para alimentos en los que no sea acepta-
FIGURA 10.2J . ElGllemo de Url cOfIgclodOl por inmc"ion
Capítulo 10:
ole un sabor wdo o dulce. re5pect¡va.¡n~nte. El uso del propilengllcol. que tIene un sabor desagradable, se limita a productos envasados. Las principales ventajas de la congelacIón por inmersión son un Contacto íntimQ, del ah· mento o envase con el refrigerante. el procesado rápido de pIezas lITegulares. el mantenuruento de la calidad en alimentos sensibles a la oxida· ción y a la deshidratación al evitar el COntacto con el ai re , la obtención de productos IQF y un coste reducido. Las aplicaciones industnales. sIn embargo, se li;nllan generalmente a productos envasados. En la actualidad sólo es de destacar su empleo para la congelación de pescado a boro do y de zumos de cítricos concentrados y en\'a· sados. Otra de las aphcaciones industriales es la precongelación rápida de aves envasadas a \'a · cía, con la que se forman un gran numera de pe' quenas cristales de hielo en la superficie que dan un aspecto más blanco al produclo cong~lado D) Congelacidl1 crlogénira
El equipo empleado para la congelaCIón consiste en t(¡neles de funciona·
criog~n1ca
COI1J'fVOÓón por frío
235
miento continuo divididos en secciones y do· udos de cintas sinfín de malla metálica para el transporte del producto, de bocas de aspero sión para los compuestos criog~nicos y de UD sistema de ventilación suave para homogenel' zar la distribución del !luido .en el tunel. En la figura 10.24 se muestra un esquema de un congelador cnog¿ni:o con nitrógeno. Los alimen· tos se rocian con nitrógeno liquido en la zona de congelación (B), descendIendo la tempera· tura de su superficie rápida y drásticamente A continuación. ~asan a una ron.1 (C) donde su temperatura s~ estabiliza. igualándose la temo peratura ¡ntem] con la de la capa externa, El último paso es el escarchado, que se logra ro· ciando con agua y aprovechando el frío resi · dual del alime nto (O). La temperatura final del alimento. aproximadamente -lB ·C. es adecuada pan su almacenamiento y su super· ficie está protegida frente a la deshidrataci6n 'Por el glaseado Es fundame ntal que el diseño de la instala· ción sea tal que el niuógeno Contacte con el alimento en estado liqllldo. de alTa forma pero dería la capacidad refrigerante del cambio de
Entrada de
Cinta transportadora
fIGL' ..... 10.24 , Cortgelodor criogertico de N 1 líquido A. zono de preertfnomiertlO, 8. ZOrtO d. congeloci6n; e, zona d! equilibfodo; y O, zone de f!lcorcflodo.
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9El
velocidad d~ cOllgelac:i6n depende en gra¡¡ me· dida de la composición global de! alimento (cua. dro 1O.U). La velocidad de la congelación esta· rá determinada no sólo por [as propiedades del alimento. sino también por la eficacia de la transmisión de calor desdo:. el alimento al medio de enfriamientO, es decir, por el coeficieme glo· bal de transmiSIón de calor. En el cuadro 10.H se comparan los distintos métodos de congela. ción segun la eficacia de la transmisión de calor y 5e muestran los tIempos de procesado que re· quieren algunos alimentos representatlvO$. Considerando la velocidad de congelación como la diferencia de t::mperatufl enlre la inicial y la fina! dividido por el tIempo total empleado en la congelación 5e distinguen:
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a) Congelación lenta: <: 0,2 cm h-¡ (conge la-
dores de aIre estático y cámaras de almace narruento en congeiaci6n). bl Congelación semirrápida: 0,5-3 cm h-I (congeladores d:: aire forzado, túneles de congelación y congeladores de placas). ,cJ Co.ogc:1.a.clón rápida: 5-10 cm h-\ (congeladO'res de lechO' nuidizado, de superficIe rascada y de inmersión). d) Congdación ultrarrápida: 10-too cm b- I (congeladores criogénicos). A excepción de la cO'ngeiación lenta, el resto se pueden considerar satisfactorios para la ma.·
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La velocidad de congdación a menudo tambIén se expresa como la velocidad a la que avanza el frente de congt/ación desde la superfiCIe del producto (donde se inicia la congela· clón) haCia su centro térmico. Segun e5[O, 100s sistemas de congelaci6n se pueden clasificar de la sigUIente forma:
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a) Congelación lenta. :s 2 ·C min· 1 (congeladores de aire eStallco). b) CongelaCIón rápida: lO-lOO ·C min-! (congeladores de aire forzado) . e; Congelación ultrarráplda: 1.000-1O.00J·C ffiln- I (congeladores criogénicos).
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yoria de los alimentos. Las frutas y hO'rtalizas mantienen su calIdad :on cualqulua de los mé· todos descntos. siend·) frecuenle el empleo de congeladores de placas para productO's envasados y congeladores o tUne!es de aHe forzadO' y de lecho iluldlzado para o()[ener productos IQF. La calidad de aquellas frutas y hortalizas que tienen una eSlructura frágil suele ser mejor con una congelación rápida. El pescado 13m· blén se puede congelar medIante cualquier siso tema, siendO' impo rtaLte que el producto alcance 10$ -18 oC en 2 horas o menO$. En las aves es fundamental una congelaClón rápida, de al menos la superficie de [a canal, para que tengan un color adecuado. EsIO' se puede lograr cO'n una primera etapa de congelación por inmersión o criogéolca. que se completa coa congelación coo aIre forzado . En las piezas de carne debe evitar.¡e [a congelaCIón lenla, para reducir en lo
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posible las pérdidas por goteo. Si el tamaño de estas piezas no es unifonne es conveniente congelarla5 con aire forzado}' si es uniforme se pueden emplear congeladores de placas. Para mantener la calidad de la carne (;¡robien es adecuado el empleo de compuestos criogénicos. Finalmente, durante la aplicación de frío se han de considerar dos situaciones con distintos requerimientos Por un lado, cuándo se debe eliminar calor del alimento para redUCIr su temperatura inicial a la deseada para su almacenamiento en refrigeración o congelación. Esto debe ocurrir lo más rápidamente posible para reducir el deterioro dd alimento y requiere el empleo de cámaras de preenrriamiento de gran potencia. Por o tro lado, durante el almacenamiento, transporte y distribución en refrigeración o congelación el pri nCipal obJetivo es mantener una temperatura conStante, compen-
0,5" 6 /I'I,n"fO. 1,5 m ,,,....,. .. m,nU'IC1
sando las con tinuas pérdidas de frío. Las cámaras empleadas para este fin habitualmente son de mayor tamaño y menor potencia.
10.7, Oescongelacion La correcta descongelación de los alimentos es también una operación muy importante, pudIendo ser una de las causas de la perdida de calidad y rendimiento, asi como una fuente potenCial de deterioro de 10$ productos congelados No se debe olvidar que 10$ productos con ge lados son con frecuencia un sistema de reserva de materia prima en la industria alimentaria, por lo que es fundamental una descongelaCión correcta que no merme su calidad. La ées::ongelación se considera finalizada cuando la temperatura del cen tro térmico del
Capilvlo ¡O' COo'I--..ocicin por fria alimento alcanza los OoC. En algunas C>Ca3iones no es necesario descongelar completamente el producto y se adrrute un atempuado, con el que se alcantan temperaturas más bajas (-5 -e). Cuando los productos van a ser picados o troceados mecánicamente son mduso más mane Jables en este estado que el de completamente descongelados. Aunque la descongelación es el proceso Inverso de la cong:elación, emten diferencias sigm· Scallvas emre ambas. Aphcando el rrusmo gradieme I~rmico, la descong:elaclón es mucho más lema que la congelación por dos motivos. En pn· :ner lugar, porque la conductIvidad térmica dd hielo (225 W m- I K-I a OoC) es cuatro veces superior a la del agua (O.5i W m- I K-I a O-C). Du· rante la descongelación lo pnmero que se fun· je es la capa superficial de hielo del ahmento Esta capa de ag:ua formada tendrá menor con· ductlvidad y d¡lusividad térmica que el hielo orig:inal, reduciéndose notablemente la velocidad de transmisión de calor hacia el interior de! alimento . Este fenómeno se acentúa a medida que transcurre la descongelación. En la figura 10.25 puede apreciarse la diferencia de \'e locidad entre la congelación)' la desconge· lación de laras comeniendo un gel de almidón al aplicar el mismo gradien te térmico. Mientras que el centro térmico se ha congelado a 10528 minutos, su descongelación completa reqUIere 52 minutos. En segundo lugar, no se pueden emplear gradientes de temperatura de gran magmtud enlte el medio de calentamiento y el ahmento congelado, para eVitar el calentamIento excesi· vo de las capas externas y el crecimiento de microorganismos. Mientras que durante la congelación los gradientes de temperatura pueden llegar a ser de casi 200 oC, durante la descongelación rara vel son superiores a los lOO-C. La evolución completa de la temperatura en el centro t~rmico durante la congelación y descongelación de las latas con geles de almidón antenormente mencionadas se muestra en la figura 1026 Durante la descongelaCIón también se aprecian tres etapas claras. En la pnmera eta-
239
CONGELACION Tiempo:
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'·"n lA I 1 ~ J~~LJ O D
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DeSC~GeLACIÓN -
TIempo:
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20min
FlOu.u 10.25. Secuencio de lo congelodo... y de lo deKongeloción d. Ioto$ conleniendo geles de ol""i, dórl los lona) $OmbreadOI ¡ndicon el moteriol COI'\gelodo los Reckol olrededor de 101 circvlos /epr. .enton lo direceion de lo Ironlmisión de color El gillro de lo temperaturo, reol'lodo con cuerro termopares, se muestro en lo, graficol inferioru. lo pOSición de 101 termoporu esló indicodo en et pri. mer circulo. Fuen/e: Fennemo {1987J
r.
pa (AS ) la temperatura del producto aumenta rápidamente (atemperado), porque no hay agua superficial y el hielo actua como un buen con· du(mr del calor. La sIgUIente etapa (l;JCl. es muo cho más prolongada y se corresponde con la aprOXImaCIón de la temperatura del producto al punto de fusión . En el momento en que comienza la fusión de la capa superficial de hielo
240
Tecnologio d,IoI Ahmelll'OJ. PI Compone,,!u de 10, alime"rol y procesol
o 8
A
~O~--~--~--=---~--~--~ O 10 20 JO 40 SO 60 reTlpo (minutos) L -_ _ _ ___ flGUlA 1026 Evo[vC'()II de lo temperCh.Jro lro el ceolro seomérrico de I::lJ !o'el del ejemplo de lo ~9vro ! D. 25 dvronle IV congeklción :' delcoflgeloc:iófl. Fv,n/e· fennemo 11987].
la velocidad de transmisión de calor, y por lo tanto la de~onge!ación, disminuye notablemente. A partir de! puntO e, cuando todo el hielo se ha tundido, la temperatura aumenta hasta igua. larse con la del medio de calentarnJento. De la comparación de ambas curvas destaca que la princIpal diferencia se encuentra justo por debajo de la temperatura de fusión (lIgera· mente infenor a O oC). Esta zona es la más des· iavorable para los alimentos, como anterior· mente.se habia indicado: a) La elevada concentración de 50lut05 en
solucIón fav orece las reacciones quími· cas yenzimátlcas. b) Los cristales de hielo se agrandan, modt· ficando la textura del alimento. e) Se produce una pérdida de componentes en el exudado (pérdidas por goteo), es· peéialmente de [os bidrosolubles como las vitaminas. d) Se favorece el crecimll!:nto de los micro· orgamsmos psicrotrofos que, además, encuentran en e[ exudado un medio de crecimiento óptimo por su Contenido en nutrientes; también pueden crecer mi·
croorganismos patógenos, si los hubierl originalmente ~n el alimento y hubieran sobrevivido durante el almacenamiento. De lo dicho anteriormente se deduce que es conveniente descongelar los productos lo más rápidamente posible. Aunque la calidad de los alimentos puede disminuir bastante durante la descongelación, hay que tener en cuenta que su duraetón es significativamente inferior a la del almacenamiento en congelación. Es decir, en la mayoria de los productos congelados se :onsidera que Ii! pr.nc:pal causa de perdida de calidad se debe al almacenamiento en congela· ción más que a las modificaciones que se pue· dan producir durante su descongelación. Los alimentos que han de cccinane para su consumo (horta[izas, carnes. etc.) se pueden descongelar directamente mediante inmerSIón en agua hirviendo. las frutas no tolera.n el em· pleo de n:tnperaturas tan altas y deben descoa· gelarse a temperatura ambiente o en refrigera· clón. Para carne y pescado, ~bre todo [as pie· zas de gran tamaño, se recurre al empleo de balas temperaturas: SI se emplea agua caliente o temperatura ambIente ha de limitarse a cor-
CapiN/a 10: CO períodos de tiempo para evita. el miento de microorganismos.
~r::c:
10.7, I Mé/odos de desc0f1geJoción Para red ucir al mínimo los cambios produci· dos durante la de.icongdación. cualqUIer método de descongelación debe cumplir los sl~ULen· tes requisitos· a) Evitar el calentamiento excesivo del pro-
ducto. b) Reducir al mínimo el tiempo de la descongelaciór:. e) Evitar una deshidratación excesi\'a, si se emplea aire. Teniendo en cllenta la forma en que se suministra la energía térmica necesana para la descongela(.~ón se pueden considerar dos gran· des grupos:
A) ~ftlOdos por calentamiento eXlerJOf
Estos métodos pueden emplear como foco caliente aire, agua o vapor de agua La descongelao:ión con aire frío (.¡ 'C) requiere tiempos eAtremadamente largos (hasla días) y ocasiona una gran exudación del pro· ducto. Lo más habitual es realizar la desconge· t-acion con ~ to'rZado, mo::!tficado 165 cond~ ciones a lo largo del tiempo. Al principio se emplea aire a 16-20 oC con una humedad relativa elevada (85-100%) pau evitar la desbidratación superfKi.lliel producto tU no está envasado), Cuando l. capa superfiCIal del producto L~.alJ..lTól: med~ ~ (l Gr) se ha descongelado se aplica aire más frío (4-5 oC) con una hu· medad relativa del 60%, para enfriar y secar la superficie del producto, evitando el creCImiento de microorgarusmos.
241
L2 tj:sco!'!g~bción o:on ag!]:! ('ori:r.t~ sólo e~ adecuada para alimentos envasados a vado y, en algunas ocasiones, para pescado entero, por el riesgo de contaminación cruzada. Para controlar el crecimiento de microorganismos, la tempera. tura d~l agua no debe e;{cede r los 20-C. La descongelación en cámaras a vacío consis. te en. con.densar vapor de agua a 13-20 'c sobre la superficie de 10$ alimentos en el interior de una timara a vacío. La condensación favorece la trarutnlsión de calor en la ~uperficie del ali· memo con respecto a los dos métodos antenores Como IOcon\'eniente puede citarse que la superfcie del producto queda humedecida, por lo que sólo es aphcable a pescado y a productos que se \'ayan a transformar a contmuación
8) ,\{üodos ditUClricos (call?nramúmlo óhmico, ditf¿clrico y microondas) A dIferencia de los anteriores, eStos méto· dos generan el ca lor dentro del mismo producto y son, con diferencia, mucho más ráoidos. No dependen de la transmIsión de caior de! medio de calentamiento a la superficie del alimento por conducción. Además, la dependencia de la conducción de eSle calor bacia el ¡nterior del alimento es mínima, si el producto no tIene un gran espesor_ El principal problema que presentan deriva de la ¡alta de ho· mogeneidad de los alImentos (con porcIOnes congeladas y descongeladas) y de la diferente interacción de las ondas electromagnéticas con el agua Hquida y el hie lo. La energía de estas ondas es absorbida preferentemente por el agua líquida. Ej decir, la zona superficial descongelada acuia como una barrera absorbiéndolas v calentandose, mIentras que la parte Interna permanece congelada, Este defecto se puede paliar mediante la aplicación de pulsos intermitentes 'i la combinación con aire fria.
Bibl iografia
BRACKEIT, R. E. (1992): ~M"lQ"ObioIOJ,c:a1 safery o f chilled toods. eurren¡ issues~. Trullb '" Food Sciellct "nd Techn%g); 3: 81-!j BRENNAN, J. G., BtrITERS, J. R.. COWELL N D. Y ULLEY. A. E. (1990): Food eng¡nUl1nl0pt,aIlON. 3' ed Elsevier Applicd SClenc.e. Londres. FElLOWS. p. (1994). Tecftl)lo,ill del procaado de los allmelltos P,mClpios.v p,tkncas Acribi.!.. Za· ragou. FE~"NEMA,
O R. (1975): Physica! ¡mncrpies olIo, od p'UtrvallofL M Karel. O. R Feonerna v O B. Lund (ed$.) Mareel DeIt:ker.lnc Nueva Yor\.:. FENNEMA. O R (1996) Food Chtmutr}, 3' ed O. R. Fennema (c:d). Mareel De\.:l.:er. Ine. Nuc:· va Yorl.:. GEORGE. R. M (1993): ~Frc:ezinl ?r~~~s used in the food industr}· ... T,ttlds 1/. Food 5cltllct " nd T«htlofogy. 4' 134· 138.
GRUDA, Z. )" 1. POSTOLSKl. (1986): Ttcftl)iogia de /a congeloci611 de los ali.mtflIOS. Aenbia. Zvagou.. HEBER. J.: LONDAHL, G.: PERSSON. P. O . y RYNNEL. L (1991): Ellcycfopedia 01 Food ScitnCt alld Teclsnofogy. Vol. 2. Y. H. HUI (ed.). John Wiley lnd '>ons. Inc. ¡";ue\'l Yorl.:. LEWIS. M. J. (1993): PropIedades fisicas de los afi· mMIOS y de los sisleMl1S de proc~ado. Actibia. Zaragou. MAFART. P (1991): ¡"gellltrC4 IIIdUSlria! allmelllaf!Q. Aeribil l.aragou. POITER. N. N (1986): Food SClellce. 4' cd. Van NO$trand Reinhold. Nuevl York.. SAHA Gr.".N, M. =:. y DOUGLAS GOfF. H O (1 995) FfU:ill! tifec/S O" lood quall/y. L. E. Je· remiah (ed ,). Man::e l Dei:\.:er. Ine. Nueva Yo rk WATSON. E. L. y HARPER. J. C. (1987): Eltmt"a 01 Food ElIglllttring, 2' ed. Van Nomand Rein· hold Company. Nueva York.
RESUMEN 1. Lo refrigerocion y lo con¡;elo<:i6r, c:;msisie" en reducir y montener lo temperoturo de los oli. me,,'1:)s 1:1 valores suoenores o lo, de su ounta de ccogetación {de - 1 o 8 0q Y por c!ebo¡o del mi,,"o, re lpe
3. Lo ~o ,'gek:cion ?ermi!e omplior lo yido ulil d. los olime,,'os cvron!e periodos de tiempo més lorgol oue lo refrigeración. los bojos temperotufOS empleados en eSII COIoO delefn'inon lo foro moClOO de crilleles d. hielo El "umero, lo morio y formQ de estos eristeles dependen de lo vel ocidod de enfriomienlO y son responso bies de olgu nol mod,licociones que se produ
Copilulo 10: COtuervcción por Frío cieror en \0 cOrllel'YociÓl1 d. \e, Cllimentol COf)gek:lC'O', porqu. morca un cambio brUKO .M W IltIJbilidod.
5 lOI si1ielTlOl parCl lo produceión indv1iriol de !rio pueden l/lf Fundomenloll'lellle de dol iíPe»: 1) mecanicos, bo~o, en el empleo de fluidos r.lr~ geronte, (omonioco y freo"",s) en drcuitos cerrodOI, y 21 Cfiogéntcos, qUII hocen U~ de Auidos croogénlCos IC0 2 y NI) en l istemos ebiertos.
6 El cólculo de lo, necesidades energéricos de lo reFriger:lción y lo congeledón requiere conoc.r cierlol ~orocter¡,riCOl del olimento, como .1 COnlenioo en oguo, IU punto de congelación y elgun<:u propiedodes térmicoI {color elpe<:ihce entu y despuél de kl cOl'lgelc.:ióM y color laten· te de fuslÓtlI.
7. lOI métodos de refrigeradón y congelociÓf1 bc~01 en el e
9 Entre 101 equipos mos hobruoles poro lo
243 relr~
gMoción y congeloeión en lo indumio olimentorio pueden citarse oquellos que empleon olr. frio: virrinClS y mostredores de exposIción tn comerciol, comoros frigori~col y congeledo
10. lo dlllConglllociólI
11 /
CONSERVAClON DE ALIMENTOS BASADA EN LA MODIFICACiÓN DEL pH, ATMOSFERA y ACTIVIDAD DE AGUA. EVAPORACIÓN Y DESHIDRATACIÓN /
EsI~ capítulo tnli! dc d¡vcrsos procedimientos PU;¡¡ .. umentar li "ida ulil de los illimtotos. Se hilee rchnncia al eitdo dtl pH y de l. iI~ en los ¡gentes illte rantes de los alimentos y ",1 emple-o de lu tecnologi¡s de lIlmósfern modificildu. Por otril ¡nrlt, se utudi .. " Iils operacionu de enporación y deshidnlilción de illimcntos, h¡¡¡citndose mención iI los problcmiU que planlu b tehid ... t..ción o n:constitucióo dc los productos deshidrillados. Fin¡lrnente, se ¡n",lin 101 d~h¡drau.Ctón osmótica como otro mttodo dc reducción de 1.. iI~ de los alimentos.
11.1.pH Una buena pane de los alimenten frescos son ligeramente ácido~ (pH 5,0-6,5), como las carnes, pescados y algunos productos vegetales: algunos tienen un p:I bastante ácido « S,O), como la mayona de las frutas (al .ededor de 4,0) y, de forma especial, los cltricos (3,0-3.5): otr;¡s están próximos a la neutralidad, como la leche (6.S) y sólo algunos , como la clara de huevo (9,6) presentan un pH alcalino. La aCidificación. por su efecto inhibidor de! crecimiento mícrobiano. ha sido un método que se ha ut1l1zado desde tiempos remotos para ampliar la Vida útil de muchos alimentos y se ha lIe\'ado a cabo de forma natural, al fermentar espontáneameme la maleria prima (leches fermentadas), o intencionada mediante la adiciÓn de ácidos débiles (escabeches), El.oajo pH es, a veces, el factor fundamental (yogur) o unico (vinagre) de la conservación de! alimento acidificado, pero otras veces su efecto se combina con otros agentes, como refrigeración (yogur), calor (algunos esca· beches enlatados), baja a". (embutidos), etc Se conoce muy bIen la respuesta de los di· ferentes microorganismos frente al pH del me· dio; la mayoria de las bacterias crecen ópl1ma· mente a un pH pr6x1mo a la neuualidad aunque también pueden hacerlo sin muchas dificultades en el intervalo S·S pero por debajo de 5,0, su crec1mieOlO se mhibe marcadamente y dificdmente se multiplican a un pH de 4.5 . Existen notables excepciones, como las bacte· rias a cé ticas, que tienen su pH ópumo entre 5,4 y 6,3 Ysu pH mínimo se S1tua en valores de ",lrededor de 2,8, y algunas bacteri~s lácticas, cuyo pH óplimo e~lá en lomo a 5,5-6,0 y el mínimo alrededor de 4,0. Los mohos y las Ie\a· duras, en cambio, pueden mulüplicarse de forma general a valores del pH más bajos que las bacterias, algunas especIes incluso a un pH de 1,5·2,0 Sin embargo, en la zona alcalina , leva· duras, mohos y bacterias cesan de crecer a valores del pH similares, habiéndose reg1strado para algunas especies valores mhimos de al. rededor de 11,0.
Aunqu~ S~ sabe , como antes se ha comenta· do, el efecto del pH en el crecimiento microbiano, las investigaciones realizadas hasta el momento no han aclarado con ceneza el mecanismo de acción. Las bacterias poseen bombas de protones ligadas a la membrana, fuena pro¡onmot;)ra. que expulsa protones del Citoplasma para generar un gradiente electroquímico de protones. Los valores de esta fuena pro tonmotora son mayores en los microo rganismos respIratorios que en los fermentativos. Cuando el pH interno es bajo puede crear problemas en la célula, que intenta regular su pH mterno, hab1éndose observado que aquellos m1croorga· n1smos (bactenas acidÓfi1as. levaduras, mohOS) que toleran bien un pH externo baJO, tlc nen también un pH mterno baJO, 10 que rep resenta una ventaja selectiva irente a microorgamsmos no tolerantes, mcapaces de generar un gradIente de pH slgnificati\'o Por otra parle. las células microbianas tienen una cierta capaci. dad tampón proporclOnada por las cadenas la· terales ácidas y básicas de las protefnas y por los grupos (os(ato de los áCidos nucleicos. No obstante , dicha capacidad es finita y puede ser vendda. por ejemplo, en presencia de altas concentraciones de ácidos débiles. Además, la regulación del pH interno implica también un control de la permeabilldad de la membrana a los protones externos que se gobierna medianle la actividad del sistema d.e transporte de io· nes. Parece ser que la magnitud del efecto inhib1dor del pH del medio esti relacionado con la capacidad que e l microo rganismo tenga de expulsa r los protones in!ernos y la de rechazar 10$ externos. No todos los ácidos so n igualmente eficaces para lI'Ihibir el creCimiento microb1ano. En esle senudo, se ha observado, por eje mplo, que para dismmuir la velocidad de crecimiento de Sraphylococcus aurtUJ en leche es necdario bajar el pH hasta 5,2 si se usa ácido aCél ico, hasta 4,9 y 4,7 SI se acidifica, respectivamente, con láctico y cítrico y hasta 4,6 si se hace con clorhidrico. Sim11ares resultados se han obtenido con ouas especies muy diferentes a la anle·
CopiMo 11 . COM.rvociOn de ol.'rn,ntoJ bOlado en la rnodiFicación del pH. almoJfero y...
riar, espec¡ticamence con Salmondla rypf:iMU' rium y Closrridium borulinum . De forma gene· ral, puede decirse que lo! ácido! fuertes, que ocasionan un pH externo muy bajo, no presen· tan una gran permeabilidad a travé"·de la membrana y, en consecuen¡;ia. su acción d!!e· ¡érea proviene del efecto desnaturalizante del bajo pH sobre las enzImas presentes en la su· perficie celular y de la posible entrada de pro· tones al interior que puede producir una baja· da del pH interno. Por el contrario, Jos ácidos débiles Iipófilos son más penneables y. una vez en el interior. bajan el pH interno; sin embar· go, la porción no dIsociada de tales ácidos pue· de también ejercer efectos específicos en el metabo lismo celular. lo que amplía las accio· nes deletéreas.
11, 1. 1. El pH Y los microorgofllsmaJ al/eron/es Las bacterias no esporuladas son los princl' pales agentes que ocasionan la alteración de los alimentos frescos de origen ammal. Como 10· dos ellos se someten a rdrigeración antes de su consumo o procesado sólo se hará referencIa a la alteración de los mismos en estado refrigera. do. El pH ejerce poco efecto, si alguno, en el ti· po de bacterias que se multiplican en la leche cruda refrigerada. ya que todas las que aleatoriamente llegan al producto crecen bien al pH (6.8) de la misma; son. en este caso. las bajas temperaturas las que seleccionan las bacterias aerobias Gram negativas que es la microbiota que prevalece. Sm embargo, el pH sí influye en la alteración de otros productos. como la carne y el pescado. En la came de pH normal (alrededor de 5,5) son, Igualmente. las bacterias aerobias Gram negativas. principalmente las pseudomonas, las que predominan pero, en cambio, un pH algo mayor (5.9·6.5). como OCUrTe en el pescado, marisco y carne de aves, permite el crecimiento de una bacteria muy sensible al pH, S/tt ....andla pldrefaátns, que es responsable, junto a las pseudomonas, de la alteración de eslOS produclOs (véase volumen 11. apartados
247
9.:?:?. Y 1:?.1). En alimentos :nás ácidos (pH < 45) prev;¡Jecen bacterias Gram positivas. eXlS' tiendo algunas, como los lactobacilos. que son particularmenlc resistentes <. los ácidos débiles no dIsociados. como el láctiCO y el acttico. Por debajo de un pH de alr~ded,)r de J,::!. sólo pueden mulliplica.rse los mohos y las levaduras. La germlna:i6n de esporas bacterianas depende del pH del medio. Por ello, en 10,$ Irata· mIentas térmicos esterilltantes este factor ad qUIere gran importancia . lusta tal punto que los alimentos destinados a la fabricación de eonse,...,as se han clasificado, alendiendo al pH que presentan. en poco i.cidos (pH > 4,5). áci· dos (pH 4,5-4,0) Y muy ácidos (pH < 4.5) de · pendiendo de que puedan germinar todo tipo de esporas, no pueda germi.nr las de Clostrj· aium bOfld¡flum }' no pueda hacerlo ninguna espora. respeclivamen'.e (véase apartado 8.3). Otras veces. se conjuga el pH con otros agentes. como la a .. y aitri:os, para inhibir la germinación de ciutas esporas bacterianas.
11 . 1.2. El pH Y10$ microorganismo$ pOlegenaJ Algunos microorganismos patógenos , como las salmonelas, pueden controlarse con pH re · latlvamente bajos « 4.5) p~ro pa.a otros, ca· mo los coliformes y otros patógenos. se requie· re un FH más baJO 0, combinar!e con airas agentes, de forma particular la a... Por ejemplo. a medida que ésta desciende se necesita un pH menos bajo para inhibir el crecimiento de Sra· phylococcus aureUJ y la producción de sus en· tero toxinas. Igualmente , la eficacia de los tratamientos térmicos está relacionada con e! pH del ali· mento. Ya se ha comentado en el apartado ano terior el caso de Cl boruliltum . Cuando se trata de bacterias no esporuladas la situaciÓn es similar; puede decirse, de forma general. que la termorresistencia de estos microorganismos dismi nuye a med ida que el pH se desvía de! óptimo de crecimiento. Siendo el descenso ma· yor en la zona ácida
248
TecnoJogia d.., las Alim",n/os. {II Componen/es de las alimentas y prac~sas
11 . 2. Afmó5fenlS La \ida útil de la mayoría de lo; alimentos (carne, pescado, frutas y hortalizas productos de panadería. etc.) es muy limitada:n pn:sencia de aire; se debe al oxígeno atme,sférico, ya que en su presencia se multiplican rápidamente los microorganismos aerobios, se pr:,ducen reacciones química; oxígeno-dependiente y progresan velozmente los fenómenos re~piratorius en frutas y hortalizas. Desde hace muchos años se sab! que dis· minuyendo la concentración de oxígeno y/o aumentando la de dióxido de carbon,) se coniigue ampliar la vida útil de los alimeitos perecederos. El cambio en la composición de la ato mósfera que rodea a los alimentos c:nlleva el almaCenamiento de los mismos en o:ontene· dores, cámaras o envases con la alm,SsEera se· leccionada. En e l pasado, las tecno logías de conservación en atmósferas disti"l1tas al aire 'ie empleaban en grandes almacenes, para el transpOrte en contenedores 'f en la distribución en grandes volúmenes. Estas aplicaciones todavía continúan pero las-tendencias actuales se dirigen hacia la adaptación de dichas tecnologías a los últimos tramos de la distribución de ali· mentas, como, por ejemplo, a nivel de comer· do minorista o envasado en porciom:s para el consumo directo. Las preferencias crl:cientes de los consumidores hacia alimentos con una aparienCia narural, {r!!Jcos o mínimamente procesados unidas al gran avance e:
atmósfera controlada consiste en el uso de una atmósfera con una mezcla de gases determinada que se mantiene constante durante todo el período de almacenamiento; se utilizan normalmente para el almacenamiento de grandes
cantidades de prooucto, como [as cámaras que se emplean para ampliar la vida útil de las manzanas y peras. La atmósfera modificada y el envasado a vacío implican el uso de envases, normalmente de plásticos, impermeables a los gases. En el caso de la atmósfera modificada se cambia inicialmente la atmósfera gaseosa de acuerdo con las necesidades previstas para todo el almacenamiento; las actividades metabólicas del alimento y de los microorganismos presentes ocasionarán un cambio en la campo. sición de la mezcla gas<'!osa original. El envasado a vacío es una modalidad de atmósfera modificada en el qu<'! se e~'acua el aire del interior del envase sin que sea sustituido por otro gas. Se han ensayado diversos gases para como probar su capacidad de ampliar la vida útil de los alimentos perecederos, pero las atmósfe ras más utilizadas están compuestas por proporciones diferentes de dióxido de carbono y o.lígeno que s<'! suplementan, cuando se requiere, con nitrógeno como gas de balance. La modificación de la atmósfera se utiliza para ampliar la vida úul tanto de alimentos de origen vegetal como de animal. No obstante, el objetivo en uno y otro caso es distinto. En los alimentos de origen vegetal (frutas y hortalizas) la modificación de la atmósfera está destinada a inhibir los fenómenos de envejecimiento post·recolección. En presencia de aire, durante la respiración de frutas y hortalizas se consume oxígeno 'f se generan dió.lido d~ cubano y pequeñas cantidades de etileno; e~te gas acelera los fenómenos de envejecimiento . Aunque todas las frutas y hortalizas tienen un nivel determinado de tolerancia a las bajas concentraciones de oxígeno y elevadas de dióxido de carbono, se puede decir, de fonna general, que. al disminuir la concentración de por debajO de! 8% Y hasta los límites de tolerancia (l -2,... ) decrece significativamente la generació·Q de etileno. De forma similar, al aumentar la concentración de COz hasta valo_ res por debajo del nivel de tolerancia (5-15%) de Gada especie hortohuticola disminuye la ve· locidad de respiración. Estas condiciones pro-
.
°
Copi/vlo 11: COflJel"o'Oción de o/iminloJ boKJdo en Jo modilicociÓII del pH, olmQJf"ra y...
vocan ;ambios importantes en el metabolismo que se traduce en la ampliación de la vida útil. El efet:IO de estas atmósferas en los microorganismo:; es muy reducido, salvo alguna e:-
24(~
cación similar eran menos eficaces o no inhi oían el crecim iento en el grado en que lo haci.l el COz. Una teorra alternativa defiende que el CO;, como los iones bicarbonato, podrian modificar las interacciones entre la célula y el entorno al afectar a la eslructura de la membrana plasmá· tlca, habiéndose observado que los iones bicar· bonato influían en la disposición molecular de la inteñase entre los Ifpidos y el agua , produ· ciéndose una hidratación de la membrana COII un incremen to de la permeabilidad de la mis· ma. En consecuencia, se alteraóa el balance dI: los procesos metabólicos entre el interior de la célula bacteriana y su entorno. Otra hipótesis sugiere que e! COl' una ve:: en el interior de la célula, interfiere directa (1 indirectamente con divers03 fenómenos meta· Mhcos, como una mayor velocidad de forma· ción de succinato, una lOhlbición de la ¡¡ctivi dad oxalato descarbox!!asa y/o una aceleració/' de la actividad ATPasa m\tocondnal que repercute en la !oston[ación oxidativa dand., lugar a un menor nivel de energía disponible. Cabe concluir, pues, que no se sabe con cero teza cu:1! es el mecanismo de acción dd COz; todas las explicaciones que se hao dado podrian estar implicadas en el proctSo, pero se ignora qué acción sería la de mayor erascendencia. Finalmente, los efectos citados no se presentan en todos los generos y especies microbIanas y diversa5 cepas de la misma esp
11 ,3. Actividad de agua (a..J Ei t::ouctpttl do:; e'M ') ~u impo rtancia en los alimentOs se ha explicado en el capitulo 2. Desde el punto de vista microbiológico, la a. refle · ja el agua dispOnible por los microorganismos para su crecimiento. La mayoría de los microorgamsmos crecen óptimamente a elevados va· lores de a (0,98·0,995) aunque hay notables excepciones. A medida que desciende la o., M
250
Tecnologío de bJ A/imentoJ. PI ComponenkJ d.Je.
desde la óptima de crecimiento se observa que se modifica la grilfica de crecuniento mIcrobiano (figura 11.1): aumenta [a fase de latencia, disminuye el tiempo de generación (fase exponencial) y la masa celular total que se alcanza es menor hasta que la fase de latencia es infinita y, entonces, cen el crecimiento. Este efecto se debe a que al disminuir la 0 .. los solutos e Iones fijan agua del medio y los coloides hidrófilos establecen puentes de hidrógeno con ella quedando, en definiüva, menos agua disponi· ble pa.a las actividades microbianas. Al tIempo, el agua de composi.::ión de los microorganismos tiende a salir de su interior por fenómenos osmóticos, alterándose la fIsiología microbiana. Cuando la a.. es lo suficientemente baja (por ejemplo, productos congelados, deshidratados) de
¡ FOSFOENOLPIALNATQ
¡rK'
al;m~moJ yorocesoJ
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100
200
Horas .. FIGURA 11 .1. Efecto de kl 0" en ,1 crecimiento de StophylocOCClJJ oureuJ.
un habitualmente son ácido glutárnico cuando la Q.. no es lodayia muy baja (por ejemplo, del orden de 0,95) y prolina y ácido y-aminobutiri· ca a yalores inferiores (figura 11.2). Las bacterias halófilas utilizan, como sol uta compatible, K' y las levaduras y mohos otras sustancias, como manitol (por ejemplo, Georricftum, Aspergi. llus, Penici!lju.m) o glicerol (por ejemplo, Saccharomyces y Debaromyees). La capacidad de un determinado microorganismo de ingresar del medio o sintetiur salutos compatibles y la
1,- AMINOSUTiRICO I (
/
K' • - eETOGLUTARA TO ~ I "LUTi,eo I~ROLlNA y
GLUTAMINA
FlGUlA 11.2. M«onismo de d.leMa de los micsOOfgQnismos henl. 01 desetfllo d.1o o.,..
Capítulo 11 __
COI'IJ~t"i6tl
d. oli"..,,/oJ baJOdo .ro la modificaciÓII del pH, o:mO.lero y...
cuantía de los mismos determina la facultad de mulriplic;arse en un medio con una reducida o~ En la figura 11.3 puede observa~ el efecto general de la Q .. en el cre:imiento miCrobiano. La mayoría de los microorganismos crecen óptimamente a valores ekvades de o.. (0.98· 0,995) y, de forma general, las bacterias son las menos telerantes a 10.$ descensos de la Q~, pu· diendo algunas crecer hasta una a... de alrede· dor de 0,85 (por ejemplo., los micrococes). des· pués las levaduras entre las que cIertas especies pu~d~n multiplicarse incluso a valores de 0,7 e infenores y, finalment~, los mohos en 105 que se ha registrado. el valor mínimo de Q ... (0,61) a que un microorgantsmo (Xtromyces buporum) puede desarrollarse. No obstante, existen algu· nas excepcio.nes de este componamiento. gene· ral, como los microorganismos que crecen en medios secos o. salados. Tradicionalmente, es· tas microbiotas se han denominado:
25 I
toleran valores de D .. de hasta 0,62.0,64. Este término se aplica habitualmente a levadw-as que se desarrollan en presencia de elevadas concentraciones de azucaro e) Microorganismos ur6filo:r; son mohos que crecen rápidament"e en medios relativamente secos, con una D inferior a 0,85 y hasta 0,61. Este térmi;o, respecto a la 0 .., es sinónimo al de osmófilos. Actualmeote, es más correcto referirse ato· dos los microorganismos que toleran bajas 0. en virtud del valor de dicho parámetro, Cli:CCp· tO, quizás, las bacterias halófilas que IOcluso ya no se denomman como tales sino que se encua· dran dentro de las arquebacterias, muy distin· tas a las bacterias.
¡ 1.3 l . o~ y micfOOfgoniJmoJ olIeron/el y potógenoJ
a) Bactenas IwlófilOJ; son aquellas que re-
quieren sal en el media para su creci· miento (aunque realmente lo que acu· mulan en su iotenor es K') y soportan valores de Q .. de hasta 0,75. b) MicroorganIsmos osm6filos; crecen en hábiuts con altas presiones osmóticas y
~u
La 0 .. de 10$ alimentos frescos y procesados es uno de los facteres que determina su carácte r perecedero o esuble, así como la microbio· ta capaz de multIplicarse en los mismos. Igualmente, influye en los tipos de microorganismos patógenos que pueden desarrollarse, Con arre·
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Acli.,.;¡jad de 19ua (aw ) FIGURA 11.3 Relación entre lo
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y el Cfecimiento microbiano y lo
~llocidad
de
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reoccionel .
252
fecnoIogia de IoJ Aliman/oJ.
PI Campon~'aJ da 10J o/imanloJ y pt'(JI:,IWJ
glo a este factor, ¡os alimentos se han clasllicado de la (arma siguiente:
A ) Alim~ntos COn a.> 0,98 A este grupo pertenece la mayoría de los alimentos frescos: carne, pescado, leche y otras bebidas, frutas y hortalizas. A temperalUra ambiente, la mayoda de los microorganismos pre· sentes crecen velozmente. No obstan te , algunos de estos alimentos, de forma particular leche, carne y pescado, se someten invanablemente a refrigeración hasta su consumo o procesado. En estas condiciones y bajo aerobiosis prevalecen bacterias aerobias Gum negativas, fundamentalmente pseudomonas y Otras bactenas afines. En refrigeración y vacío son las bacterias lácticas las que dominan. Si el pH es baJO puede dominar Otro tipo de microbiota, como en los cítricos, donde prevalecen los mohos. La mayoda de los microorganismos patógenos crecen fácilmente aunq~e cuas agentes o factores pueden inflUir ~n la multiplicación de unos u otros. Por ejemplo, en aerobiosis existe' el riesgo de la presenCla de especies de los generos Salmondla, Shigdfa, EschtrichUl, etc, y en anaerobiosi, pueden multiplicarle Cl. pufringt.11.S y Cl. batulinum. En el pescado es típico Vib,io pa,ahat.maly~us. El pH es otro fac· tor de sran imponancia: así, las esporas de eL botulinum no pueden germinar en anaerobioSlS si el pH de! alimento es m[erior a 4,5.
8) Alimentos con a..O,98-0,93
Los alimentos que penenecen a este grupo son: leche concentrada, carnes curadas (jamón cocido, mortadelas , salchichas, etc,). carnes y pescados ligeramente salados (concentracIón máxima de sal dtllO'ro), quesos frescos, pan y [rutas en almíbar (conce ntración máxima de sacarO!ia del 50%). A estos valores de (l se inhibe el crecimiento de las bacterias Gr;m negativas y dejan el paso a [as Gram POSitIVas
(Bacdlaceal, LaclG baál/act.al, Mrc,occocace· ae). Otros agentes pueden actuar si nergica· mcnle, como conselvadores, pH, etc. Por e[emplo, en carnes curadas, adicionadas de sal y nitritos, no germinan [as esporas bactenanas. En ciertos productos, ,:omo el pan, la alteración cone a cargo de mo":os o 8acillus mtUnltricrlJ, A estas a. se lI1hibe el crecimiento de sal· mane las. Cl. botulrnum y airas bactenas patógenas; el erecto se acentúa si coexisten condiciones desfavorable~ de otros agentes, como el pH y la lemperaturl. En relación con los pató' genos, el peligro más importante lo constituye el crecimiento de Suphylocaccus aurtus. Además, en estos alimenos existe un mayor riesgo de la elaboración de mlcotoxinas por mohos.
C) Afimt.lIlOHon a. .. 1.93·0,85
Dentro de e::te grJpO se encuentran alimentas más de~hidratad(ls o con una gran concentración de solutos, :omo los embutidos ma· durados, jamón serrllno, cecina, quesos muy madurados, leche conde nsada, etc. Los microorganIsmos alterantes que pueden crecer son, entre las bacterias, los cocos Gram positivos U'"ficraccocauae) y les mohos y levaduras, Por ejemplo, en leche condensada (a .. próxima a 0,85) pueden desarro!larse levaduras del géne ro rorula y, SI hay oxígeno, diversas especies de mohos. Stopnylococcus aurtr.u puede multtplicarse pero no produce enlerotoxinas. El riesgo sanitarlO procede de las micoloxinas elaboradas por los mohos.
.
D) Alimt.nlos con u .. 0, ~5-0,60
. A este'grupo penenecen los alimentos de· nomlCladosllMF (alimentos de humedad intermedia). Cabe cilu a los frutos secos, cereales, harinas, mermeladas, pescado muy salado (bacalao), nueces, almendras, etC. Los microorganismos alterantes que pueden multiplicarse en
Cop;tuIo 1/ : COnJ,rvociÓll d, oli..,flIIloJ boJado estos proauctos son oaclerias itaiófiia, en los alimentos salados '1 en el resto mohos rerófilos '1 levaduras osmófitas. Estos alimemos son seguros desde ti punto de vista sanirano; no cre ce nlOguna bacteria patógena y los mohos pueden mult¡plic.lrse pe· ro no produCIr mico toxinas.
E) Alimtntor CO Il 0 .. < 0,60
Los alimentos que presentan I1w inferiores a 0,60 son, por ejemplo, dulces diversos, chocola· te, leche en polvo, miel, galletas, patatas [rilas, etc. Son productos m ic robjo lógicamen(~ esta· bies; no puede crecer mngún rrucroorgaJllsmo.
11.3.2. lo o... y los reacciones quimicoJ y bioquimicos El efecto de la 0 ... en diver.sal fea ;clOnes que ocurren en los alimentos se muestra en la figura 1Lj. Todas [as curvas son orientativas, dado que tanto la ve locidad de la reacción co· mo la forma de la curva pueden variar depen· diendo de la composición, estado físico '1 es · tructura del producto, asi como de la atmósfe· ra (sobre lodo oxigeno) '1 tempe rao•. ra del entorno del mismo. La curva relativa a la autoo.'(ldac¡ón lipidica es, quizás, la m,b llamativa. A valores de la 0. muy bajol (del orden de 0.1). la velocidad de la reacción es elevada pero al aumo!nur hge. ramente la Q ... disminuye rápldamo!nte hasta alcanzar un mínimo a \laJores de: 0.3·0.4 para aumentar de nuevo basta una Q~ de alr!dedor de 0,8, manteniendose después al mismo nivel o mduso desceodieDdo~ l..M..in ~~:f:!L&C.::' nes que se han ofrecido a este comportamiento son las siguien tes: se cree que el mínimo que se observa a muy bajas Q ... se debe a qUe la poca agua presente liga hidroperólidos impidiendo su descomposición y, en consecuencia. se inhibe el proceso oridatlvo, o a que dicha agua, al bidrata( IOnes melálicos, impide que ¿stas ac,
In
lo modificociÓ<'! d,1 pH, olmOl/.,o y. ..
253
túen como :ata¡¡zadcres de la ,eac~:6r•. E! in. cremento que se observa a partir de 0 .. de 0,30,-1 puedo! d~berse a que, al existir más agua. las macromolécuJas pueden expandirse dejan. do expuestos más sitios para interaccionar con el oxigeno: esta acción se verla favorecida por una mayor disolución del oxígeno. Finalmente, a valores de la o~ por encima de 0,8, la veloci. dad del proceso autooxidati~'o puede disminuir algo al diluirse los cal3lizadores de la reacción. Las reacciones de pardeamiento no enzimá. uco (reacción de Matllard) muestran un comporl3miento casi para Ido al do! los procesos au . (ooxidativos a elevados valores de la Q .. pero a medida que dlsmmuye esta decrece la velo,;! · dad de la rea;:ción hasta detenerse completa· mente a valores infe riores a 0.25. La velocidad del pardo!amiento no enzimático es máxima en los productos de humedad intermedia (o~ de 0,6 a 0,85); por encima de estos valores la velocidad del proceso disminuye a causa de la dilu· ción de las sustancias pote nciado ras de la reacciÓn o pQf una tnhibiciótl de la abundante agua presente al ser ésra uno de los productos de la reacción. La reducción de la velocidad del proceso por debajO de aquellos valores se debe a la menor difusión pnmero e inmOVilización más tarde de lal sustancias reactivas, Por otra parte, la energfa de activación de las reacciones de pardeamiento no enzimático aumenta a me· dida que la Q~ disminuye. lo que conlribuye también.l retardar el proceso a bajas 0 • • La mayorla de las reacciones enzimáticas dependen [ntimamenle de la 0 ... Ellas reaccio· nes, una vez que han empezado a manifestarse (0. de 0,2 a 0,3), siguen un curso casi paralelo a la ISOterma de sordón de agua. El agua actiJa como un disolvente y medio de reacción. En ::a.=,se.cueacia.. J~ vdaddad de la reacción irá aumentando a medida que [o hace la 0 .. , obser· vándose una aceleración a elevados valores de la a~. ya que la cantidad de sustrato disuelto es mayor y puede mov¡lizarse fácilmente para entrar en contacto con las enzimas. Las lipas31 constituyen una excepción 'la que son activas a muy baja 0 .. e incluso en un alimento congela-
25.4
r.enoJogía de /o, .lJimelOloJ
mComponen/eJ de IoJ o/imen/o, y proceSOJ
do; este comporlamien to se ha explicado en base a que, en este caso, e[ contacto entre SU5~ trato y enzima no requiere una fase acuosa como vehículo porque los tipidos se difunden eo la fase grasa y las enzimas actuan en las ioterfases lipídlcu, La a .. , además de en el crecimiento y reac· ciones químicas y bioquímicas. influye podero· samente en la textura de los alimentos; en algu · nos casos este efecte ne es sólo favorable sine necesario cerno ocurre ea las patatas fritas )' en las palomitas de maíz, que no podrían presentar la textura tfpica si 1'11'1 tuera por la baja Q .. . Lo mismo ocurre para evitar la formación de agregad es en leche en polvo o cafe instantá· neo. Sin embargo, en otros productos es total· mente desfavorable, como ocurre en el bacalao que, aparte del saber salade, ·presenta una textura inadecuada para su consumo directo Lo mismo se podría dec.u- de otros alimentos como las sopas deshidratadas o la l~che en polvo q'Je, al igual que el bacalao, se requiere su rehidra· tación antC$ de su uso. Son dlversas las operaciones de conserva· ción que se basan en el descenso de la a... A continuación se estudian cada una de ellas y se describen los equipos que se emplean.
11 .4. Concentracion de los alimentos por evaporación La evaporaciófl consiste en cencentrar los alimenlos liquidos por ebullición, lo que la diferencia de otros métodos de concentración (capítulo 12). El objetivo principal de la evaporación es aumentar la concentración de sólidos 10lales para reducir la a.. y contribuir así a su conservación. No obstante, persigue tambien: a) La concentración de liquidos previa a la aplicación de Otras operaciones (deshld ra· tación, congelación. esterilización). Este p~o:;ed imiento facili:a el proc~sado r P:¡"mite un ahorro considerable de energia.
b) La reducción-dcl peSO)' del volumen de los alimentos pata facilitar y abilI"atilI" Jos costes de tra nsporte, almaCenamiento y distribución. c) Facilitar el empleo y diversificar la oCerta de productos.
I J.4. / . Fvndamenlo~ de /o evaporoción
La evaporación, como procedimiento de climlOación de:! agua por ebullición, neceSlla de un medio de calentamiento que ~ransmila el calor requerido para el cambio de estado (calor sensible y calor la te nte de evaporación). En la Industria Alimentaria normalmente se utIliza como fluido calefactor vaper de agua saturado (lIapor primario) que se con:lensa ce· diendo su calor latente al produao que se eva· pora. Se trata por lo lanto de un intercambio de calores latentes (de cendensación y de evaporación). La operaci6n tiene Jugar en tllapo radore$ dotados de cambiadores de calor. La velocidad de evaporación depende de la transferencia de calor y de la transfere ncia de masa relacionada con la liberación de vapor de agua del ahmento (vapo r sUUfldario). La velocidad global de transferencia de calor (Q), desde el medIO de calentami ento al liquido de ebullición, a través del cambiador de calor habI tualmente se denomina carga calorífica y viene dada per la expresión: (11.1)
en la que U es el coeficiente global de transfe · rencia de calor, A cerresponde al área de expo· sición y ó T C$ la diferencia de temperatura en· tre el medio de calentamiento y el liquido tra· tado Para calcular el grado de concentración, la carga calorífica requerida y el tiempo de eva· poración es necesario efectuar los balances de materia y energ(a (figura 11.4). Si se asume que las pérdidas energ~ticas (po. con':e~ión y ra · diación) en el evaporador son despreciables, el
255
CapiN/O 1/: COllJe....-acio" de o!imanlO' basadc en la mad,Ficcx:ioo de/ pH, armóJfara y... Sal¡da de ...apor (Vo )
-
. \. deat¡lua tv,)
S
'l;:.~ido del a~menlación (L() (frK:Oón de sóIicios x,l
¡ T CondMsado
Uquldo producto (Lp)
(fracción d. Sólidos ,orp)
FIGURA I IA. Oiagrama de! bolol'lCe de masa d.
balance energético establect que la cantidad de calor cedido por condensación del vapor pri· maria es igual a la camidad de calor necesario para elevar la temperatura del líquido procesa · do hasta el punto de ebullición, mis el calor re· querido para pasar el agua a estado de vapor:
Calor de condensación de vapor = Calor Sl!lUible + Calor lareMe de evapora· ci6n (del liq¡,údo ,.-crado)
por lo tanto: V,)' .. =LfC,(B~-9f)+V.)' ...
(11.2)
donde V, es la masa condensada de vapor primario (Kg S-I), ).... el calor latente de condensa· ción del vapor primario, L, la velocidad de flujo del líquido procesado (Kg S-I), c el calor espeC[fico medio del líquido procosa~o, 8, el puntO de ebulliciÓn del líquido procesado (aumenta con el incremento de la concentración), /1 la temperatura inicial del líquido procesado, ~ la masa de vapor producida en el evaporador O capacidad tvoporct:'vQ (Kg S-I) y A.o el calor lateme de e ... aporación del líquido procesado.
l1l'I .... aporod(l(
de .fecto simple .
. Si el calor cedido por la condensación del vapor ~ transfiere al liquido procesado:
(ILl) El balance de masas establece que la masa que entra en el evaporador es igua l a la masa de producto y de vapor que sale del mismo:
(11A) siendo Lkla velocidad de flujo del líquido pro· cesado ( g S-I), con una fracrión másica x,de sóhdos, y L, la velOCidad de flujo del producto concentrado (Kg 5"), con una fracción másica z, .....dO$. Por 13n10, (11.5) 1 f .4.2. fod(X~J que modifican
ebulliCIón
el punla d~ -
r /o transFerencia de energía
La fuerza motriz de la transferencia calórica en el cambiador de calor de un evaporador es la
256
TKllo/ug;o de
lo~ A}imenIoJ.
PI Componen/el
dIferencia de t :mperalura entre el medio de calentamiento y d líqUIdo a evaporar (67). A medida que aurntnta la dIferencia de temperatura aumenla, inicialmente, el coe ficienle de tranmtisión de calor. Id comIenzo de la evaporación, el liquido sob recalen tado asciende por convección natural a la inh~rfase liquido-vapor y se produce una ebullición ,uave. Cuando AT es e!evada se produc~n burblllas de vapor en el seno del producto, las cuales se dividen y producen agnación en el líquido ell su ascensión a la superficie. La ebullición en el interior del líquido (ebl'Uición nllcleada) es tanto más intensa cuanto mayor es 6Ty se acempaiia d~ un considerable increm
de b olimen'OJ '1 proceJOJ
naturalización y precipItación de componentes se procesa n en evaporadores de cIrculación foruda , donde la acción de arrastre que ejerce la corriente del líquido al fl uir rápidamente limi ta o impide la deposici6n de sus componen tes. b) Pt/ícula superficial. Se crea en torno a la superficie de calentamiento del evapondor y conslituye la mayor resistenci:J a 13 transmisión de calor. El grosor de esta capa puede reducirse utilizando sistemas mecánicos (evaporadores de circulación fonada) que fuercen la cir· culación de ll(quldo en el inte rior del evaporador y proporcIonen un fl ujo tu rb ulento. c) Vucosidad del alimento Los coeficientes de transferen.:ia de calor y la ve locidad de circulación de los líquides en el evapo rador, gene· ralmente, disminuye:'! con el incremento de la viscosidad de los mismos. Puesto que, normal meme, la vISCOSIdad de una solución aumenta con su concentración, a medida que avanza la evaporación disminuye la velocidad de transferencia de calor. d) Formacujn de espuma estable. Está favoreCIda por la presencia en el alimento de prote ínas y ca rbohidratos. Es frecuente, l am b\~ n , cuando la evaporación se realiza. a presión re ducida y cuando la cabeza hid rostática es grande. La espuma, además de disminuir la transferencia de calor, dificulta la separación de vapor y fa .. o r ~c~ quc éste arras:re pane del conccntrado
a) Depósito de residuos en las superficies del ifltercambiadvr de calor y formaóón de coso
Reduce :on~lderablemente el valor de U y se debe a la adheSIón y precipitaCIón de sóltdos suspendidos en el líquido tratado (po r desnaturalización proteica, precipilación de pOlisacáridos, etc.) sobre las paredes del cam· biador de calor. Las elevadas temperaturas y una baja velocidad de fl ujo del líquido favo re cen este fen ómeno. Por ello, 105 ali mentos propensos a experimentar problemas de desIras.
El obJcl1vo de la evaporacIón es consegui r eliminar progresivamente el agua del alimento sin afectar las caracte rísticas de los so luto! , de fonna que por SImple dilución del concentrado se obteóga un producto de características simio lares al original. Para ello, es necesano un ade· cuado diseño de los evaporadores y un ajuste preciso dc ¡as condicio nes de procesado. El punto de ebullición del líquido procesado depende de dive rsos factores:
Capítulo I J: COilJervoc,ón de ol,m~n/oJ bosoJo I!) ?r!!s:6r. !!X'!!rr.a. Un l!qui1'J b.j~rve cuan· do la pre3ión de vapor que ejerce es igual a la presión externa a la que se halla sometido. La evaporación de alimentos suele realizarse a presiones reducidas para aminorar los danos origmados por el incremento de temperatura b) Concentración de solutos disueltos. En un evaporador el punto de ebullición dellíquldo tratado se incrementa a medida que lo ha.;e la concentración. Este cambio conduce a un descenso progresivo de la dIferencia de temo peraturas entre el agente de calentamiento y el producto, con la consiguiente caída de la velo· cidad de transmisión de calor. La elevación del punto de ebullición con el aumento de la con· centración puede estimane mediante la regla de Duh ring. Esta relación empínca establece que el punto de ebullición de una solUCIón es función lineal de l punto de ebullición del disolvente a la misma presión. Las gráficas de DUhnog (figura 11.5) indican los puntos de ebullicIón de una solución a di ferentes concentraciones frente al punto de ebullición de! disolvente puro a las ffi¡s;7,as1>resiones. Dada !a compleJi· dad de los alimenloi, la relación de DUhring resulta dific il de aplicar, pero puede utilizarse a nivd orientativo. e) Prl!Jión htdrostática La temperatura de ebu!1ición del líqUIdo tratado en un evapora· dar varia con la prOfundIdad. A cualqUIer nivel por debajo de la superficIe libre , pafa comenu; 1:1 ebu!lición será necesario superar la pre· non ~el medio i la corresponaientt ¡¡ la eJerCIda por la columna de líquido SItuada por en· cIma de{ ni vel considerado (presión o cabeza hidrostátic.a) Con el Incremento de la temo pe ratura de ebulliCión se reduce la dIferenCIa de temperaturas entre los medios de transmisión de calor. El efecto de la presIón hidrostátlcJ es más pronunciado en los evaporadores de grandes dimensiones (de tubos largos, por ejemplo). En estos cala$", para las detenninacioDes cuanti· tativas suele considerarse el punto de ebulli · ción medio detenninado en la mitad de la a[tura alcanzada por el líqwdo en el evaporador.
IlIn
la modilicrxión d.1 F,H, o/mchf"ra y
257
230
210
E 190 ~ 170
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Temperarura !le ebllllición del agua (OC)
fGURA t t 5 Gróficos de Dühring poro d is.rinros dilOluciofles de h¡dróKido sooico.
1/. d.3. Electo en las propioffio¿es de 105 c!imenlos Para redUCir los danos debidos al incremento d~ temperatura durante la evaporación, los eqUIpos deOen ajus:afl¿ para que las tempera· turas de ebullición sean bajas y los uempos de permanencia del produclo en las zona.! de calentamiento cortos. Para ello, se recurre al empleo de evagotadorei qLe operan a presiones reducidas y permiten un ¿Tan desarrollo super· ficial (p6r eiemolo, evaporadores de pelicula aelgaaa). l::.n algunos casos, para evitar un tra· tamlentO excesivo de los componentes de los alimentos después de su concentración, éstos se enfrian rápidamente nebuliZlindolos en una cámara. Las ca racteristlcas sensortales más afectadas durante la evaporación son el aroma yel color:
• P~rdida de aroma. La mayoría de los compuestos responsables de! aroma, y en algunos casos de! sabor, de los alimentos son mál volátiles que e! agua. Por tanto, durante la evaporación estas sustancias son arrastradas coro e! vapor de agua y el concentrado obtenido resulta total o parcialmente desaromatizado. En algunos casos, esta pérdida de sustancias puede re~ultar beneficiosa al eliminarse volátiles desagradables (cacao, leche). Las sustancias aromáticas deseables pueden separarse del vapor de agua por destilación fraccionada y recuperarse en fonna de t.un· cia que se incorpora al producto concentrado. • Cambios de color. Los alim.:ntos evaporados generalmente presentan un color más intenso, debido por una parte al incremento de la concentración de sólidos y a que la reducción de la a.. favorece algunas reacciones químicas (pardeamJento no enzimático).
11 .4.4. Equipos y aplicaciones Los e¡;aporadores presentan una serie de elementos básicos y Otros aU:l:iliares que permiten disminuir el pumo de ebullición e incrementar el rendimiento económico.
Un evaporador consta, al menos, de los siguientes componentes: L Un cambiadlJf de calor que permite la transmisión de calor entre el fluido calefactor y el alimento. 2. Un separador en el que el vapor se separa de la fase líquida concentrada. 3. Un condensadqr que permite eliminar el vapor de agua en forma de condensado. En los sistemas que operan a presión atmos[~rica este elemento puede omitirse. Los cambiadores de calor utilizados en 105 equipos de evaporación pueden ser muy diver-
sos (tubulares, placas, cónicos, etc.). En muchas ocasiones los evaporadores se clasifican atendiendo al tipo de cambiador que presentan y a la fonna de circulación del líquido que se va a procesar en su interior. Éste será el criterio que se seguirá para la deSl:opción de los equipos. Los separadores pueden ser simples espacios que permiten que el vapor secundario se aparte del líquid o concentrado. Algunas instalaciones presentan los denominados separado· ,~ d~ a"asere. Estos dispositivos son imprescindibles cuando la velocidad de evaporación es elevada. En estas circunstancias, el vapor de agua puede arrastrar gotitas de! líquido en ebullición, con las consiguientes pérdidas. Los separadores de a"asfr~ o defleceores se sitúan a la salida del vapor y pueden consistir en una simple lámina de choque, en un conjunto de láminas inclinadas o estar formados por un en· tramado de barras metálicas entrecruzadas. En algunas ocasiones se recurre al empleo de sepa· radores de ciclón (capítulo 12, figura 12.10). En e51e caso. la mezcla de vapor y líquido pasa a un recipiente cilíndrico por una entrada tangencial. Por la acción de la tuerta centrífuga las gotas. más pesadas, son lanzadas hacia las paredes y al perder energía cin~tica en la colisión escurren hacia la base. El vapor sa le del sistema por una chimenea superior. Los conder..sadores sor.. elementos esenciales cuando la concentración se realiza bajo cierto grado de vacío para aminorar los daños por el incremento de temperatura. En un evaporador se liberan vapor condensable y gases incondensables (procedentes de la desgasificación de los alimentos y aquellos aspirados por el sistema), Para mantener las condiciones de presión, el vapor de agua se condensa mientras que los gases incondensables se eliminan con una bomba o un ~y~cfor. En la Industria Ali· mentaría, normalmente se utilizan cond~ns(!do res de aspersión o de lluvia, dado que su instalación es simple y barata. En ~stos, el vapor se mezcla directamente con una lluvia de agua fría que se elimina, junto con el condensado, con una bomba o mediante una columna baro-
C:pit-,JI~
~
11: Coruerv:::I::-ión d, olim,t!los bcJodc
métrica, Esta ültima eslJ; formada por un rubo vertical de unos 10 m de altura conectado en su par:e superior a la base de descarga del con · densador, mientras que el extremo inférior está $umergido en un cIerre hidrostático. Ptn mantener la presión de tnbajo de! evaporador, la altura de la columna hidrostática (distancia entre el nive! del agua en el tubo y la superflcie del cIerre h.idrostático) se ajusta automática · mente a la correspondiente diferencia con la presión atmosféric.a. De esta fonna , puede e~ traerse e! condensado Sin romper el vado. Cuando el "apor condensable no puede mezclarse con agua se recurre al empleo de condell.$adores de superficie (tubulares, de pla· cas) , Éstos son mucho menos utihzados ya que requieren una instalación más costosa }' tienen un elevado gasto de agua de enfri amientO
BJ Equipol ouxiliara En los sIstemas que operan a presión reducida se requiere un equipo adicional que , ade · más de los condensadores de vapor, incluye las correspondIentes bombas de vacio o eyeclores de \'apor 1.
BombaJ de vac(o y eyectores de cnorro
de lIopor. Para evacuar los evaporadores se emplean bombas de desplaze.mlento positivo '!
eyectores de chorro de vapor (figura 11 6) , Es importanle tener en cuenta que el equipo de
fIGURA 11.6. Diagrama d.
un .yeclOI
l'"
/o modifi,ooQr¡ d.J .oH, clmÓsr.ro y_ ._
259
vacio es responsable de la eliminación del si.nema de los gases no condensable". Otros equipos auxiliares, que pueden enCODtra~ en los evaporadores. tienen como objetivo mejorar su funcionamiento al facilitar la eliminación del condensado de! vapor primario. 2. Colectores de cOlldensado y purgadora. Estos elementos son esencLales para qu~ la transferencia de energía sea adecuada en los cambiadore5 de c.alor. Se trata de dispositivos que ptrrmten controlar la salida de los condensados del vapor pnmario y de los gases inertes. La a:::u;nulaci6n de agua en el inlerior de los cambiadores de calor dLsllUnuye el rendimiento del equipo puesto que, entonces , en parte de su superficie sólo se transmitirá calor sensible. El funcionamiento óptimo se produce cuando en el cambiador se transmite s610 calor latente de condensación, lo que implica que los condensados deben salir a una temperalura lo más próxima posible a 1. de ~ambio de estado. C) Si¡lemas de ohorro de tlltrg/o
La eliminaCión del agua de los alimentos por evaporación requiere un aporle considerable de energía (2.257 kJ por kg de agua evaporada a 100 eC), que generalmente se proporciona con vapor de agua. Por tanlO, es necesario utilizar equipos con un diseño adecuado yajuslar las condiciones de proceso para reducir al mínimo la remtencia a la transferencLa de ca-
d. ,hOl"/a d" vapor de
f01l
\mico
260
Tecnolog;o de 10J Afimen/oJ. {IJ ComponenleJ Ol! JoJ olimltnloJ y fKoc.JOJ
!o~ 'j evitar todo tipo de p~rd!á.!s de energi!. Por otra pacte, en la evaporación se obtiene un producto concentrado por Iib~ración de vapor de agua, el cual contiene calor que puede utili· zarse. Los métodos para la conservación de la energía en los sislemas d~ evaporación están basados, precisamente, en el aprovechamIento del calor contenido en el vapor exuaido del alimento y son fundamentalmente tres:
t. Efectos múltip!u Este método consiste en conectar diversos evaporadores (tftctol) entre sr, de forma que el vapor secundario produ· cido en uno de ellos se utiliza como vapor pri. mano (o nuido calefactor) en otro y así sucesi· vas veces (figura 11.7). De este modo, se consigue un sistema de 11 etapas o efectos. Cuando una masa m de vapor primario se con· densa a nivd del primer efecto, se evapora aproximadamente ur.a masa m de agua: esta masa de vapor liberado se condensará en otro evaporador distInto consiguiendo la evapora· ción de una masa similar de agua. Por tanto, en conjunto, la masa de ajua que se evapora es aproximadam~nte n x m, con un consumo enero gético en cada uno de ellos equivalente a mili. El número de efectos de una Instalación está determinado por el equtlibrio entre el ahorro energético obtenido y e! incremento de! coste de la instalación. En la mayorla de los casos se utllizan instalaciones de 3 a ó efectos, aunque existen equipos de h3..5ta 9 efectos. Las sistemas de cvaporacl()n de efectos múltiples (fen~n cua· tra formas básicas d~ operar: a) Alimentación hacia adtlalllt o COllC!4rrtll' (e. Es el procedimIento más sencillo, barato y fáctl de manejar, ya que no precisa bombas de alimentación enrre los distintos efectos. En este caso, el avance del líquido y el aprovechamiento del vapor producido se realizan en el mismo sen tido (figura 11.7.01). De esta forma, el vapor secundario que sale de un evaporador A. se utiliza como fluido caldactor del siguiente evaporador, en el que se trOlla el l(quido pre· concentrado en el mismo efecto...t y así sucesi·
nmente Como el vapor secu!ldaria s610 li!:!).e energía para permitir que el lfquido hierva a una temperatura infenor a la dd efecto del que procede, y la concentraci6n del liquido aumenta al avanzar por los efeccos, es necesano que d sistema funciOlle a presiones progreSIvamente más bajas (figura 11.8). As!, la temperatura Je ebuHición desciende a medida que avanzan el numero de efectos. Con esta forma de proceder. el nesgo de que se produzcan daños térmicos en el a¡imemo más concentrado y viscoso se reduce, dada la menor temperatura de los últimos efectos El incon~'enienle de este sistema está en que el vapor con mayor poder calorífico se emplea en las primeras fases de la evaporación. cua.,do el producto se concentra con :;rayor facilidad, y al final se requiere un gran jescenso de la presión. Para aumentar la eficada de! sistema. es convem~nte que el líquido 'lue entra en el primer efectO esté preca[entado, a una temperatura pr6:tima a la de su punla de ebullición. Si en este primer decto se !ransfiere algo de calor sensible, se dispondrá de una menor cantidad de vapor para los efec· tos subsiguientes. b) AlimtntaciólI hacia atrás o ell contra· comtfltt. En este sistema el a.vance del líquida t":ltado y el aprovechamiento del vapor liberado se realiza en sentido contrario (figura 11.7.b). De esta forma, el alimento mas diluido se ca· henta con vapor procedente de un efecto en el que se ha tra.tado producto más concentrado y así suceSivamente (¡¡qUicio y vapor [luyen en contracorriente). Para este m¿tooo se requiere intercalar bombas entre los dIferentes efectos. El vapor con mayor poder calorífico se usa para el producto más dificil de concenltar. Por tanto, y a diferencia del sistema anterior, su funcionamiento no depende de los cambios de p,esión y temperatura y la transferencia de ta lar y la economía energética es mayor. Sin embJ.rgo, si el equipo no está ajustado de forma adecuada, pueden producirse daños tl!nnicos en las ecapas finales, ya que el producto entra en conlacto con las superficies más caliemes cuando se halla más conc~ntrado.
Copirulo 11 COnJarvo<;ión de ol,mantoJ bawda en la modificación da/ pH, almóJfara y..
26 I
.)
d)
Vapo,
,)
•
VaPQ'
d)
fGLIA 1 I 1 Evoporadorel de efecto muh'ple. Metoclo, de olimanlacicm: 01 COI'I("r,al'lle. bl en contracor,ienle, el en peralelo y dI mi..,ro. e) AlzmrnfuuÓ" UI para/rlo_ Este mélOdo está mdlcado para la cnSlallzacion de algunos productos ya que eVlra el uso de bombas para su truvasc: El producto se lleva a {émuno en cada efecto aunque el vapor lIbe rado pasa de un efecto a otro (figura 11 Te). d) Allmel1taClón muta Este Slst::rr.a se utIliza en las in!talaaones con un alto nume ro de
meros ~ligur3: l!.J.d)
Se trata de una combinaciÓn de la alimentación hacia adelante (por ejemplo en las primeras etapas de la evapora· ciÓn) y de contracorriente (por ejemplo en las ultimas (ases de concentración). Presenta lu ventaJas de la senaJJez de las instalaciones coocurrentes y la mayor economia de la alimentación bada atrás. El !lStema está recomeadado
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Ionft. F; olimenrociOn. V.. vapor primario; V, vopot $ecvndorio; 11 >'1"
'1',. I]"/J'>I, .
P,2: Pl>PJ>P¿,
cuando la viscosidad del líquido tratado aumenta considerablemente con la concentración. Las instalaciones requeridas son más caras y com-
pleJas. 2. Rccompresi6n mecánica del lIapor Es otra forma de aprovechamiento del vapor se· cundario. En este caso, se trata de incrementar la presión, )' en consecuencia la temperatura de condensación, del vapor secundario procedente de un evaporador para proseguir la evaporación de! producto. La recompresión puede rea· liz:ane ~ ndo una bomba mednica (recom. prtJi6n mecánico) O recurriendo a un compresor de chorro de vapor (r~comprtJi6n ,érmiCil o '~rmocomprtJ(").
El termocompresor es un eyector de chorro de vapor (figura 11.6) que funciona haciendo pasar vapor a alta presión (vapor morfll) a tra· v~s de una boquilla hacia una cámara o lobera conectada a un evaporador. De esta forma, la presión de! vapor mo,':"z se transforma en enero gra cin~lica, produci~ndose un chorro a muy al· ta velocidad que aspira por arrastre una parte del vapor secundario producido en un evapora· dar. En la tobera, a nivel de un estrangulamien· to que separa la sección convergente de la di·
vergente (figura 1l.6), tiene lugar la mezcla del vapor motriz con el vapor aspir:!do, con el con· siguiente incremenlo de la presión de este últi· mo. La recuperacIón de energía llevada a cabo por el termocompresor depende de su coefi· Clenle de recarga, es decir, de! caudal de vapor aspirado respecto al caudal de vapor motriz. Algunos sistemas de efectos múltiples incor· paran recompresión de vapor en uno o más efectos (figura 11.9) con un considerable ¡ncre· mento de la economía térmica.
3. Preca{e'Hami~"to. Una forma sencilla de conservación energética en la evaporación con· siste en utilizar el vapor secundario de un evapo· radar para precalentat el alimento antes de ca· menzar su procesado. Esta forma de proceder permite incrementar entre un S y un 10"'0 la ca· pacidad del sigUIente evaporador. El vapor se · cundario tamb\~n puede emplearse para preca· lentar el agua utilizada en el generador de vapor.
D) Tipos de ,""aparadores Existen r.tllchos tipos c!e e'.aporador~s (cu:!.· dro 11.1); la mayoda de ellos funcionan en
Copilulo JI: COtUaNOCión d. alime'tlos bclwda en lo modificación ele! pH, armOsf",a y...
263
.)
Condltll.wdo
b)
eoncent'ildo
Inyección de condensados
Concenl/'lldo
,
Producto
FIGUU 11.9. Evaporador de VOriOl efecros can oIrOl l illemas de oprovl!
continuo, aunque para el procesado de peque· ~as cantidades o cuando se necesita cambt ar con frecuencia de tipo de producto lodavfa se utilizan los evaporadores abiertos discontinuos. Seguidamente se describen los más ulilizldos En algunas ocasiones se combinan, de forma
que el proceso comienza con una clase de eva· porador y finaliza con airo. 1. Evaporadores de cjrcu/oci6n lIa/uro/. En este tipO de evaporadores el movimiento del liquido tratado se debe a las corrientes de
:'64
Tecnologio de JoJ AlimenlOJ.
PI Componen/u deloJ olimentoJ y p.oeeWJ
CUAtI'!O 1 r,1 MI<>,io.
,,",,r..,.:o.
I I E_porod",.. "'b··.. Ia. y ",roeo. 1 2 E_poiod",.. o. ",bo. c",~. a d. 111100 Y (Orca", hClpoiCldo, •• d.o ",bo. cono. ho<'lonlal.. e,..gporodo,.. d. ",bo. CO!~ . v .. ,,~ot., r.J . evopored",.. ¿'",Da' Ie'!¡o. evopCl«ldor.. d. :vbo. 10'90' d. ¡H1;t~lo OKM· d~.
t"opo
Evapo'odo ••• d. ptlicula o.'-nd.nr.,.¿.K .... dln" I 4 : .... po'od"" •• d. talo...,,,,, I Alorna
la eficaCl.iI ~ner~ellc ., es baJa_ Sin em":largo, son muy versátI les, \e adapta n a una lmplia variedad de pmductns y rllmos de prodllcción. Es conveniente UllhlJr urudades de pequeño lamaño ya que e/1 las grandes se reduce considerablemente la relaCión superfi cie de transferenCIa de calor/volumen de líqUido y el calen· tamiento es menos efe,tt~'o. Se utilizan, :unda· menlJlmente, en la elaboración de ~opas, concentrados de pulpa de tomate, salsas variadas. mermeladas y productos de contitena y simdares b) E¡·uporadoru dt tubos cortos O d~ ,l ibo y COnstan de un recipiente o C¡I~Ca5a que en m parte rnienor presen ta un camb'Jdor de tu bos El e~paclo defInido por encIma :le este ültlmo pernute la separlCIón po r gta ... ~dad de las ~OlltlS de líqUIdo.) que podrian s~r Jrras· lradas con el vapor hberado. En algunos .:asos, en eSle espactO se co locan además láminas do:: choque separadoras. El haz de lubos de l cambiador de calor puede est ar dispuesto en horizomal (tllaporadorts dt tubos cortos hOTl:l>nwlts; figura t UO.a) o en vertical (1!lIaporadores dI! tu.bos COrlOS IItrticalts; figura 10.11.b). La dispOSIción en horizontal dificulta la circulación del liqUIdo que se va a procesar y ?resenta un baJO coeficienle global de transm,sión de calor. Por ello, este tIpO de evaporadort!s es poco utilizado y sólo se ha empleado en la concentracIón de líquidos de escasa viscosidad.con muy po.:J t.end ~ r.ci:i ¡¡ ¡erma, .espuma y cos:!a. Los evaporadores de tubos co rtos verticales se utilizan con mucha frecuencia en 1¡1 {ndus· tn a Alimentana. En ellos, la calandria, o cooJunto de tubos que atraViesa la cámara de vapor. está fonnada por untdades de uno~ 0,3 a 2 m de longItud y entre 25 y 75 mm de diámttro. Normal(I1ente presenta. además. un tu.bo dt rI:· (omo Cl!nfral (figura t t lO.b) que suele representar al menos el 4 00/0 del Mea tOlal de flUJO del resto de lo~ tubos (tllb os dI! ascelU"lon). Es ta disposición en vertical (a yo rece las ;:omentes de convecCiÓn y el incremen to de la VelOCI· dad de transiercncla de caJor. El alimento que curCttll1
2. 1 evapc'Cld"".. di pIac" 2.2 ha:>Q'c¿""" ¿. ¡¡";o upondido 2 J Evepo!odco.. dI per..,~lo ¿llgGdo "'ICO'''',," a 'o11:::0<10.
J
: VAPORAOO~ ES A SAJA TEM?fRArURA. DE CICLO DE q~nIGUACIÓN O DE gOM!!A C AlO ~iF!CA
convección y a la fueru de ascensi6 n de lai bu rbujas de vapor, que lo arrastran a lo largo de l Intercambiador de calor. La separación del vapo r del liquido está favorec Ida por el mOV im Iento centrífugo del producto y tiene lugar en la zona superior del evaporador. .1) Elloporodo rcs llbiutos y curados. Este :ipo de e'l.1po:acc: ~s es el m
Capítulo 1/ : Camervocióo óe al;~efltOJ basado en le mcd¡licociÓt! del pH, OlmósFero y...
265
Vista !r.lIlsversaJ
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01
•
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o O Aire
-
AlImentadón
.Liq.:ido
conceotllldo
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'1
FKitJlA r 1. 10. Evolxlfadores de rubos com:s . o} evaporador ¿lA !UiXll cortos fIorilontoles; b) .vaporador de h,¡bos cortos ~erllc:JllIs; y el evoporodor de rtlbos de cesio.
266
~ic de le! AlimeftfOf.
PI Componlfflte' de lo, oJimftf!fOl y ~JO'
se va a evaporar se calicata por el vapor que se condensa en la parte externa de los tubos. En su ebullición, el liquido asciende por ~$tos cayendo a l espacio o rubo cr.ntral e iniciando de nuevo el ciclo. Puesto que el líquido situado en el tubo de retomo está más frlo que el que circula por los tubos de ascenso, se crean comentes de convección natural. Este tipo de evaporadores son baratos de construcción}' manteoimiento, muy verlátlles y, euando se emplean con lí:}uidos re1auvarnen· le poco viscosos, su veloci.:!ad de transferencia d~ calor es mayor que la de los evaporadores ablenos. Sin embargo, son poco adecuados para el tratamiento de I(quidos muy VISCOSOS En este caso, la velocidad de circulación es dema· siado lenta, aume:nta el riesgo de quemado, se producen depósitos en la superficie calefactora, dlsmmuye la velocidad de intercambio calórico }' la limpieza es dificil. Algunos equipos pre· s~ntan tubos instalad os en una estructura de cesla (calandria de C6Ul, evaporadores de asta) que puede dcsmontarse con facilidad pa· ra su limpieza (figura II lO.c) Los evaporadores de rubos COrlOS venlcales se utihzan con frecuencia para la conce:ntración de jarabes (soluciones de: azúcar de ca~a, re· molacha, glucosa), extracto de malta, sal y zu· mos de frulas .
e) EvoporadortS de tubos largos. Están formados por una cámara vertical provista de cambiadores de calor de tubos venlcales de 2.5 a 5 cm de diámetro y de 3 a l5 m de altura. Este tipo de evaporadores puede ser de ¡nliculo asCtndtrllt o de pelicllla dcsCtndentt dependIendo de la disposición de la entrada de! liquido en el cambiador de calOr (figura 11.1l). En los tvoporadores dt tubos largos dt película ascendeflle el Ifql,lido penetra por la parte inferior de los tubos, normalmente precalentado casi hasta su punto de ebulhción. De esta forma, el Uquido comienza a hervir en el interior de los tubos y la ex:pansi6n del vapor que se libe ra lo arrastra en su r.ipldo 3lCenso (figu· ra II 12), d Istribuyéndose en forma de una fina
.)
Condensado
Concentrado
i~~~ deSalida aire
-
b)
Vapor
seoJndano
¡
Vapor__ prirrlario
- t
Concentllldo
1
A5mentaci6n
t
Condensado
rlCUlA 11 .11 Evoporodoru de lubo~ largos : 01 evaporadO( de tubos lor90~ d. pelicvlo deKenden¡e. oj e.oparodor dell.lOo~ !or9Q' de película oseen·
denle-delcendenle
Copírolo J,: Co(uM'o'Oción dll alim,ntoJ baJada en la modiFiccxiÓfl dlll pH, atmósFero y
Conoenuodo
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-7de"..liquido ,.do
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fiGURA 11,12. Ebl.lllicibn en .1 interior de un e"0porador delv'oc)l klrgal d. pelicl.llo alc.ndente.
película rob re las paredes de los lubos y alrededo r de las burbujas. A medida que el líquIdo avanza se va concentrando rápidamente La mezcla de vapor.líquido que eme rge de la par· te supaior de los tubos pasa a un separador donde se libera el vapor En este tipo de evaporadores tiene una gran importancia el efecto de La cabeza hidrostática. sobre todo en el tratamiento de productos viscosos con una velocidad de tránsito inCerior. En los evaporadores de rubos fargos al. pe!i· culo d~cendl.nle el líquido que se va a procesar entra (generalmente preca!entado) por la parte superior del haz de tubos (figura 11.11.01). En este caso el producto deSCiende a gran velocidad (hasta 200 m S·I) por gravedad y arrastrado por el chorro de vapor formado. El efecto de la pre· sión hidros!ática es nulo, por 10 tanto se mantiene una temperatura unirorme de ebullición. Estos evaporadores tambit:n pueden utilizarse combinados (evaporadora de película aJ· etndenu-descende/lle; figura 1Lll.b) En t:stos, el ualamienlO comienza en la sección con rt:gi· men de película ascendente de un evaporador de tubos largos donde se trata el líquido diluido hasta su concentración patcial. Cuando la
267
viscosidad del producto aumenta pasa a una sección de película descendente donde se al· canza el grado de concentración df!seado. Los evaporadores de IUbos lar¡os, en gene· ral, se caracterizan por: un tiempo COrto de pennanencia en la zona de q lentl.miento. unos coeficientes de transferencia de calor altos y una eficacia e:lergi!!:tica elevada. Normalmente se utilizan en instalaciones de vMios efectos Están Indicados para eltratamienlO de productos sensibles al calor; como en la elaboración de concentrados de zumo de cítricos (trata . mientos a 16-20 ~C. operando a vacío), produc. toS lácteos. extractos de levaduras y en la fabri· caClón de almidón. Los Inconvenientes de estas instalaciones radican, fundamentalmente, en su voluminosidad !' en la dificultad de su mantenj· miento y limpieza. d) Evaporadores de cal~ndria externa. Se .-caracterizan porque el sistema de separación de vapor secundario es externo a la calandria (figura 11.13)_ Además, poseen una conducción pata la reCirculación del produclo que permite que se establezcan corrientes de con· \-ecclón mejorando el Intercambio calórico. La calandria se desmonta con mayor facilidad pa· ra $U limpieza que en los equipos an/eriores. Algunos equlpO$ preseman, en lugar de un siso tema tubular, un cambiador de calor de placas Estos evaporadores res!.!!!:!.n muy adecuados para tratamientos bajo cierto grado de vacío de productos sensibles al calor como zumos de frutas, derivados lácteos y extractos de carne. 2. E vaporadorts de clrculuciÓ/1 ¡orzada. Estos evaporadores tienen bombas cenu((ugas (para líquidos menos VISCOSOS), bombas de des· plazamiento posiuvo (para líquidos de mayor viscosidad) o diversos dispositivos (como una ht:lice impulsora en los evaporadores de crista· lización) que distribuyen el líquido en el intercambiado r de calor y aumeman la ve lOCIdad de flujo a travt:s de las superfiCIes de calentamlen· too Por este mt:todo se consiguen velocidades de intercambiO calÓriCO más elevadas y tiem-
268
Tilcno/ogio dfJ /os Alimel'ltos.
mCompo.lM/es de /01 alimentaJ y prOCtHOJ
Gases IncOt1densable.s
,
AlimentacIÓn
I d.
FIGURA 11 . 1 J. Evaporodo' de (¡rcu~d¿m natural con colandrio externo y s'parodO<" de ctelón Fuente: 8rennan y cok (19801 .
pos de pennanencla más conos. Son compa.;· tos y de gran rendimiento, pero su adquisIcIón· y mantenimiento resulta más caro. Algunos evaporadores de calandria externa disponen de un sIstema de bombeo y, por lo tanlo, son de circulación forzada. Este tipo de evaporadore; es adecuado para el tratamiento de lrquidoi muy densos y viscosos, así como para aquello.• con rendencia a producir costra. En este último caso, a veces se procede de forma que d pro· duelO se calienta en el cambiador de calor, aunque se impide su ebullición (por ejemplo, cre ando una presión h¡drostalica elevada) . Li. evaporación se produce seguidamente por ex· pansión en un recinto separador (expaNo.-) al mismo tiempo que el produclo se enfria (ti~ura 11.14) . . EnEre los evaporadores de circulación [oru· da puede n menClOnar5C los siguientes:
a) Evaporadores de placas. Su denomina· ción se debe a que presentan un cambiador de calor de placas, que llormalmente se uliliza en
reglmen de película ascendente·descendente (figura 11.15). El líquido a tratar entra, impul· SOldo por una bomba, en la parte inferior de la sección ascendente de! cambiador, hierve yalcanza la parte supenor de las placas, entrando después a la ~cción descendente donde conti· nua la ebullición . Los equipos pueden tener .... arias secciones incluida una de precalenla· miento. La mezcla de vapor·líquido se separa en un equi¡¡o adjunto (separador de ciclón o centrífugo) yel vapor recuperado puede aproo vecharse a continuación en otros efectos. Son evaporadores costosos pero su velocidad de intercambio calórico es muy elevada, los tiempos de evaporación son cortos y son energ\!!tlca. mente muy eficaces. Ocupan poco espacIO y se desmontan con facilidad para su inspecciólI J limpleza .~·~esuhan más adecuados q ue los eva· poradoreslde tubos largos para la concentra· ción de líquidos muy viscosos y suelen utilizarse para alimentos termosensibles como extrac· tos de levaduras. ptoduCIOS lácteos y exuactr.• de carne.
C,'p;h,¡/o 11: ConsarvaClón da oli'!'fln/o¡ besada.n /o modificación d.1 pH. almiü!.ra y...
269
Bombo de ~adc
Vapor $&Cundanc
I Vapor pl1mano
¡
B.""" J:GJV,
I
Concentrado
1 1.1 4 . &cporodn'e¡ de cirC'JlociÓr! íarJ:oda cen calandria exlerna.
b) El1aporado res de flujo t.tpafldido . nenen un funcionamiento muy similar a las evaporadores de placas. En este caso, e l inlercamblO cal6nco en lugar de producirse en un conjunto de placas se realiza sobre tonos invertidos su-
perpueSIOS. Al igual que en el cambiador de placas, ,en los espacios comprendidos entre los conos ~ allerna la pr~ncia de vapor de agua (como fluido caldaclor) y de líqUIdo 3 concentrar (figura 11.16). Existen vanos diseños aun-
270
Tecnología de ku Alimentas. PJ Componenl
FlGut-\ 11.15. Evaporador de plac::a.
que la base de su funcionamiento es muy similar. El líquido que se \"a a procesar puede acce· der por el eje central de Jos conos para fluir alternativamente por Jos espacios comprendidos entre dos conos consecutivos . Estos sistemas operan a vacio, por lo tanto el puntO de ebullición se alcanza rápidamente. La evaporación se produce en el trayecto ascendente a través
FIGURA 1 1.16 . Evaporador de fluio expandido . Fultnle: Brennan y cd.l . (19SC[.
de las superficies cónicas y hacia afuera. La mezcla d: "apor-concentrado abandona el conjunto de conos de forma tangencial. La separación se produce en el espacio definido entre el cambiador de calor y la carcasa donde se ubica. En esta cámara se consigue un efecto semejante al de un separador de ciclón, de forma que el producto concentrado sigue un curso descendente por espacios adyacentes a los conos y el vapor secundario asciende, pasa a una cámara contigua externa y sale de ésta por una conducción lateral (figura 11.16). Estos evaporadores poseen bastantes ventajas. En ellos, el líquido a tratar se distribuye a gran velocidad en finas películas en los espacios entre los conos. donde se establece un régimen turbulento con elevada velocidad de transferencia de calor y tiempos cortos de evaporación Por otra parte, son muy versáttles (el número de conos puede modificarse de acuerdo con las !l/!cesidades), compaclOS y eSlán diseñados para su limpieza in situ. c) Evaporadores de película delgada mecanica o rOlalorios. Se caracterizan por disponer de un sistema mecánico que permite distribuir el líquido a e\·apOíii.r en t;na fina película. A es-
Capilulo 1/: Con~c";" de aliMflIl/oJ ba$aÓo en /o mociilicociÓll d.1 pH, atmósfera y..
271
te tipo pertenece el evaporador de superficIe bamdD (figura 11.17), en el cual se consigue disponer el producto en pelfculas de 3.praXlmadamente 0,25 mm de espesor (treme a los 125 mm que se consiguen como máxi~Q en los evaporadores de capa fina). Estos equipos estjn constltuidos, en general, por un ro ~or que gira a elevada velocidad en el intenor de una cámara dotada de una camisa calefactJra. La forma del rotor puede ser variada y presentar multlples lámmas montadas en vertical o en honzontal con respecto al eje longitudinal centra!. La distancia entr~ [as paredes de la cámara ~' el borde de las estructuras laminares del rotor determina el espesor de la pelí:ula de producto (entre 0,5 y 1,25 mm en los denominados de película delgada y hasta 0,25 nun en los de pelicuia barrida). La elevada \'elocidad de! rotor hace que sus láminas agiten violentamente el liquido )" lo distribuyen en finas capas que contactan con las paredes calientes de la cámara. De esta forma, se consiguen velocidades de transmisión de calor y de evaporación muy alias con escaso riesgo de fo rmación de corteza. El tiempo de permanencia del líquido en el evaporador oscila entre 0,5 y 100 segundos. dependiendo del tipo de alimento y el grao do de concentración deseado. Estas instalaciones resultan muy adecuadas para alimentos termosensibles, viscosos y para aquellos con tendencia a formar espuma o ad· herirse a las superfIcIes calientes (pulpa y zu· mas de algunas frutas, pasta de tomate, extrac· tos de carne, cremas de cacao y café, asi como diversos productos lácteos). En general. se uti· lizan como el/DpofDdorn de aCDbado de productos previamente concentrados en ocro tipo de instalaciones. En este tipo de evaporadores de película delgada mecánica también se consideran otros como el CtnCri-Chtrm (figura 11.18), con una base de funcionamiento algo distinta. Este evaporador tiene un aspecto simi lar al de nuio ex· pandido ya que, al igual que éste, presenta un cambiador de calor formado por un conjunto de conos que en este caso giran a gran \'eloci -
Oellector
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Oiapos.tiYo
cMl"Isedo
c.miM de eale~
teta torio
FIGUrA 11.17 Evaporador!! de películo delgado me<:Onica. 01 evoporador óe pelicula delgado; y b) evaporodor de superficie berrido norizontal.
Coocemrlldo
Fu:;u ..... 11.18 Evaporador Cln!ri.¡h"rm . FwmliJ: feI1ow1{I99J)
2/2
TKnoIogio d,la. AI'm,.'" PI C~POO"'" d, lo. olim,mo. y P'~'W'
dd. El liquido que se va a tratar, que entra por la ¡c;¡a cer;,l,al próxima olí ej.; d..: giro, $e dimibuye rápidamente en finas capas (de aproximadamerlte 0,1 mm de yosor) sobre la superficie de los conos en rotación . Al contrario de lo que sucede en los evaporadores de flujo expandido, en los que el líquido cIrcula por efecto de la neslón de vapor, en el Cenfri·rnerm lo hace pO' efecto de la fuerza centrífuga. Esta misma fuerza desplaza rápidamente de I~ ~ supelficies de intercambio calÓriCO las gotitas de vapor pri :lacio condensado, evitando que se tonnco pelí:ulas que dificulten la. transferencia de ellar Por todo ello, en estos evaporadores se corslguen coeficientes de transfuencla de calor muy elevados y t iempos de permanencia corvs (del orden de 0,6 a 1,6 segundos meluso con líquidos concentrados), lo que permite malltener las características organolépticas yel Vd!(I, nutnlivo del produc!O original. Con tre· cue lcia se utilizan para la concentración de café, extractos de té y de carne, zumo de frutas y enzimas utilizadas en la fndusrria Alimentaria.
3. Evaporadores a bala ltmpuatura, de ciclo de reÍr¡geración o de bomba calorifica. EstoS equipos .rabajan a baja presión coosiguien· do temperaturas de ebullición muy bajas, de! orden de los 20 ·C, '! tiempos de evaporación cortC's. La base de su funcionarruento es similar a la de un circuito de refrigeración mecánico. En eHe caso, el calor requerido para la evaporación del Ifquldo que se va a concentrar es aporudo por la condensación de UD flUido refrigerante. Este último se evapora previamente en Uf. cambiador de calor en el que se condeno sa el vapor secundario [¡be rada del producto concentrado (figura 1Ll9). Estos evaporadores se emplean para productos muy sensibks al calor como los zumos de cítricos.
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FIGUrA 11 19 EVOpofodor o bolO temperol\!,o, ¿e cido ¿, refrigerccron o ce bcm!::o cdor'fico . fuen. le ; Brennorl y col,. (19801 . cond iCiones controlada5 del agua que contienen los alImentos. Esta ope ración l:>ásic3 Se! lleva a cabo por evaporación o, en e( caso de la liofilización, por sublimación del agua. El producto resultante pres enta un COntenIdo acuoso, en la mayoria de los casos, inferior al 3%. Aunque existen o tras formas de eliminar el agua de los alimentos. como la filtración, la centrifugación o la extracción sólido·líquido (capílUlo l2 ), no se conSIderan una operaci5n de secado ya que no recurren a ta evaporacl.~n o a la sublimación. Estos procedimientos. además, eliminan mucha menos agua. la desecación al sol también se excluye debido a la falta de control sobre las condiCIOnes de procesado. Esta operación unit3fla se diferencia de la evaporación. en cuanto que en la última el grado de eliminación de agua es mucho menor permitiendo, simplemente, concentor los alimentO!. Los objetivos principales por los cuales :a ¡ndastna Alimentaria recurre al secado pueden resumirse en los siguientes puntos:
11.5. Deshidrafacjon a) Aumentar e l periodo de conservación
La deshidratación o secado o deseca ció n se define como la extracción deliberada y en
de 105 alimentos. Se trata de un método de conservación en el que se inhiben el ere-
Capitulo I J:
Coo~fYO("'on de ol¡m~nlos
baJado en /o mo..J¡fi,oQ611 del pH. olmo,Fero y
cimiento de los mtcroorganismos. la acti· vidad de algunas enzimas y algunas reaccione3 químicas por reducción de la o~. Por tanto, es en la eliminación del agua, por evaporación o por subltmación. don· de radica el e[ecto conservador de esta operación ya que, normalmente, la temo peratura que se alcanza durante el pro· ceso no es suficiente para inactivar los agentes alterantes de los alimentos b) Reducir el peso y el volumen do: los ali· mentas para facilitar y abaratar los coso tes de transporte y almacenamten:o. La eliminación del agua. componente ma· yotitario de los ahmentos. origina lógica· mente la disminución del peso y a veces también del volumen. e) Facilitar el empleo y di ... enificar la oferta de productos En algunas ocasiones la deshidratación permite conseguir pro· ductos de más cómoda utilización y distintas características organolépticas. Como ejemplos de productos deshidrata· dos pueden considerarse leche en pol~·o. (ru· tas desecadas, café en polvo, preparados para purés y sopas. hue"'o en polvo, pastas alimen· ticias. etc.
273
1/.5.1. Ftllóomen/os de /o óeshiórolocion
El dia;rama de fases del agua (figura H .20) expresa las condiciones de equtlibrio de los divt:rsos estados del agua pura. En éste la curva eo corresponde a los puntos de fusión, AO n la curva de equilibrio vapor-liqui· do o curv"! de presiones de vapor o de los puntos de ebullición y 80 la de sublimación, mientras eJe 00 representa la curva de pre· sión de vapor del agua en sobrefusión. En una operación de deshidratación se ...en implica· dos los cambios de estado definidos por las curvas AC y 80, aunque como seguidamente se indicar~, d comportamIento de los alimen· tos es má~ complejo. Tengase en cuenta que las fases a,uosas de los tejidos animales y ve· g~tJles y d~ numerosas preparaciones ahmen· tarias son soluciones, relativamente diluidas, de un gran numero de solutos. En la deshIdratación tienen lugar simultáneamente transfe rencia de calor (para suministrar el calor latente de nporización o sublimación del agua) y transferencia de masa (movimiento del agua o del vapor de agua a tra ...és de! ali· mento y arrastre de vapor de agua del entor· no del ahmcnto).
e
"".,
Temoerltura ('C) (escaa. no ~nea.)
FIGUu. 11.20. Diagrama de foseJ ¿.I eguo. O. punto triple. Fuente: Cñeñel y cok f!989).
274
TecrlOlogio de 10$ A)imenIOJ. tI} Componen/fu d~ lo, olimento$ y ¡XOC~501
A) Transful!.ncia dt entrg{a
El calor necesario para conseguir la evaporación del agua de los alimentos (o su sublimación en el caso de la liofilización) puede transmitirse por conducción, por convección y por radiación, que generalmente se combinan, aun· que predomine uno de ellos. Este calor puede aportarse a presión atmosférica o bajo cierto grado de vacío. Cuando se aplica vacío la transformación se produce a temperaturas más bajas (figura 11.20). Algunos eqUIpos recurren al empleo de energía microondas y otros utilizan el calentamiento dieléctrico. Considerando la forma de transferencia de calor y la manera de proceder, los métodos de deshidratación pueden clasificarse de la siguiente forma: 1. DtSl!.caciÓn con airt calitnrt . El alimento se pone en contacto con una corriente de aire caliente y el calor se transmIte, fun· damentalmente, por convección. 2. DI!.:Itcación por cOn/aceo dirtcro con una suptrficit calitnCt. El calor se transfiere al alimento principalmente por conducción. 3. Dtstcación mtdianu I!.[ aporet de Magia de !mo f!lenu radianf/!.. La transmisi ón de calo r que predomina es la radiación. 4. De:Itcación por entrg{a tll!.ccromagntllca (calefacción por microondas y dieléctrica). 5. Liofilización o criodeshidraración. El agua de 105 alimentos se congela y seguidamente se sublima utilizando cualquiera de los me.::anismos de calenta miento anteriormente mencionados. Esta forma de eliminar el agua de los alimentos tiene características muy particulares y se tratará al final del presente capítulo.
Durante el secado de un producto por ccntacto con un fluido en movimiento (aire caliente generalmente), la transferencia de calor se hace por convección, especialmente en las ca· pas superiores dondl!., por lo general, I!.I movimiento del fluido es turbulento. No obstante,
se coflsidera que la principal resistencia a la transfereflcia de calor proviene de una delgada capa de fluido inmediata a la superficie del producto. Esta capa [(mili!. es casi inmóvil y en ella la transferencia de calor es por conducción. Con independencia del mecanismo de calentamienlO que se utilice, la transferencia de calor en el interior del producto se hace por conducción. Bajo este aspecto, cabe señalar que a temperaturas ordinarias, la mayona de los alimentos tienen una conductividad térmica próxima a la del agua (en torno a 0,58 W m~l K-l en el agua liquida y unos 2,19 W m- I K-I en congelación). En los alimentos parcialmente deshidratados y porosos la incorporación de aire disminuye la cantidad de calor transmitido, debido a que ~ste presenta una condu~tividad t~rmi ca mucho más baja (unos 0,022 W m- l K-l). B) Transftrtncia dt masa
La forma en que puede encontrarse el agua que contienen los alimentos se ha estudiado en el capítulo 2. Generalmente el agua que se elimina de los alimentos durante el secado corresponde a los tipos IV, lfl Y 1I , pero el agua fuertemente ligada permanece. Antes de que el agua se evapore y se pueda eliminar por corrientes de aIre, debe alcanzar la superficie del alimento. El agua que inicialmente no se encuentra en la superficie del alimento se mueve a través de éste por distintos mecamsmos: L MMimitnlO capilar o por futruu capila· res. Tan pronto como el agua de la super· ficie se evapora. el agua libre (que tiene fuerzas de unión muy d~biles) sale al exterior por fuerzas capIlares . Éste es el primer desplazamiento del agua libre. 2. Difusión dI!. /[quidos. Se debe a las diferencias de concentración de solutos en diferentes regiones del alimento y desde el interior al exterior de las c~lulas. En este caso. además de desplazarse el agua libre tambi~n lo hace el agua ligada.
eopi/uJo 11: eonwtvaciOn el. olim"nlOJ botodo MI /o mocJ¡ficocjón del pH, otmó,tero y.. . 3. Difusión dt gases. Cuando el alimento está prácticamente deshidratado, tanto el agualiSada como el agua libre se pue· den evaporar debajo de la suPerficie r pasar este vapor a través de Ids ,poros formados. 4. Difusión tn las capas [{quidas adsorbidas en las imtrfasa dd sólido. S Movimltflto debido a /o retroCCWn dd só· (ido La mayoría de los alimentos se contraen durante la deshidratación, de forma similar a lo que ocurre cuando se es· truja una esponja. El agua libre migra asi hacia la SuperfiCie. Además dd movimiento de agua líqUida o d~ agua desde el interior a la supufi· cie del alimento, en la transferencia de masa hay que considerar la retirada de! vapor de agua liberado Para ello, es necesario mantener lo más baja posible la presión parcial de vapor de agua en el medio ambiente, lo cual puede conseguirse por distintos procedimientos: 1) arrastre por una corriente de fluido (general. menle aire), 2) condensación sobre una superficie fria, 3) aspiración por una trompa de va· por y 4) haciendo pasar el aire utilizado en el proceso a tra vés de un material desecante. Cuando se recurre a la condensación de ~'apor, los gases no condensables (aire, anhCdrido caroónico, etc.), que también $e eliminan del producto, se reuran con la ayuda de una bomba de vacío o de un erector de chorro de vapor. La difusión del agua líquida debida a los gradien tes de concentración es análoga a la transmisión de calor por conducción y depende de! gradiente de concentración de agua en [a superficie y en el interior del producto (fuerza conductora ). En cambio, [a transferencia de vapor de agua desde la superficie del alimento al exterior es análoga a la transferencia de calor por convección. En este caso, e[ flujo de humedad es proporcional a [a diferencia entre la presión de vapor de la superficie y la presión de vapor de agua en el aire que [a rodea (fuer· za conductora)
de vapor
275
La desecación c:on aire es claramente la foro ma de secado más utilizada en la Industria Ali. mentaria. En este caso, eriste una transferencia Simultánea de calor y de maSJ.. La energía se transfiere desde el aire al alimento (suministrando el calor lalente de vaporización del agua) y el vapor de agua mIgra en la dIrección opuesta. desde el alimento al aire. Por estas razones, es conveniente conocer algunas de las propiedades de [as mezclas aIre-vapor de agua.
e) Propiedadts dd a!rt húmtd" (Psicromerrfa)
La psicromelría se ocupa del estudio de las propiedades y del comportilCTliento de las met· das gas·vapor. De estas, la más frecuente en e! procesado de ahmentos es la de aire-vapor de agua. El aire atmosfériCO es, ~n realidad, una mezcla de gases en una proporción lija y vapor de agua, con un contenido ~·ariable. La propar· C'lón de vapor de agua "_uctúa nonnalmente entre O y 4%. Por eIJo, normalmente se simplifica la situación supomendo que el aire atmosférico está formado por dos partes: aire seco (gases no condensables como 0l' N¡, COl Yargón) Y vapor de agua (nuido condensable, sometIdo a cambios de estado) . A la unión de estos dos componentes se le denomlOa atrt húmedo. Entre las variables psicrométricas de mayor interés para una operación de secado se encuenu-:an:
1. Humtdad absoluta o CSptcífica (HJ . Se define como el peso de agua en forma de vapor por unidad de peso de aire seco. En general, se expresa en kg de vapor de agua por kg de aire seco (H. '" kg de agua en forma de vapor/kg de aire seco) aunque tambien puede considerane teniendo en cuenta la relación de las fracciones molares o de las presiones parciales
H, = (M. P.lIM, (P -
P.l
(I1.6)
siendo M .. el peso molecular del agua, M. el peso molecular de! aire, P la presión total del sistema y p. la presión parciAl de vapor.
276
TKnoIogia d. la$ Alim.nto!. El} Comport.rtlel de lo, olimenfo' y proceroJ
2. H!lmtdad dt smutación (H,) Es la humedad absoluta del aire saturado de vapor a una determinada presión y temperatura. Si se mantiene constante la temperalUra d:!! aIre con una cierta presión de vapor y se adiciona humedad (vapor de agua) se alcanza UD momento en que el aire no admite más vapo~ de agua. En este punto. el aire presenta la máxima hu· rnecild absoh':la y se día que está saturado de vapor de agua a una deterrmnada temperatura (/tmpaa/ura de saruraci6n) y presiór.. En estas condiciones si se prOSigue añadiendo vapor de agua ~Ste se condensa. En la sat u/acn5n, la presión de vapor de agua (P.) es igual a la presión de vapor del agua en estado líquido (PJ a la mIsma temper3tura y presión (cuad ro 11 2),
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1) 7,3 19,8
.7.3 101.3 198.6 362,6
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Celo, '0'-"" d. vopo)(lzocio" (IoJ ~~- ~
2499,S 244.5.1 2403 ,1 2357, 1 2306.9
22jM 2195.0 2139 ~
Es necesario especificar la lemperalUra a la que se; conSIdera la saturación ya que, cuanto mayor es la temperalura más al:o es el valor de la presión de ...apor ejerCIda por ellgua pura y Viceversa (cuadro 11.2). Por lanto, si se caJ ieOll el aire y aumentamos su lemperalUra. éste aceptará más vapor de agua. Por el con· trano. SI se enfria, al dismmull la temperatura su humedad de saturación será menor Alcanzada la H" si el aire se enlria comienza a condensarse el vapor de agua (por ejemplo, baJ O la forma de niebla). La tempe ratura a la que
.
¡par·c.. la cc .. :j,·opri".o
CopítuJo 11. COnJlttvOción dlt olimen/ol bOladQ Itn In modificación dlt/ pH, almólfltra y... que 5-. cor:Q.:e C""'O :e:r.peoat •.Ha d~ bulbv ¡¡¡J. medo (T..l. Esta temperatura es ¡nferlor a la que indica un termómetro ~co dado que la evaporación ¡'rovoca un descenso de temperatura por· que mo tiva una transferencia de calor dd aire hacia el agua. la magnitud de la diferencia en' tre la temperatura de bulbo seco y la de bulbo húmedo (d~pmión d~ bulbo hÚr7Udol depende de la temperatura del atre (es tantO mayor cuanto mayor es la ,emperatura inidal del aire) y de 1, H. (es tanto mayor cuanto más seco esté el aire). T~ se puede considerar, por lo tanto, como la temperatura de una $uperfici~ húmeda en equilit>rio con el aire con una deterrnin3.da H. y tempe:alura. Durante las etapas iniciales de una opeu('¡ón de secado la superficie de! alimento gtnetllmente se comporta como una superficie saturaja de humedad y, por lo tanto, su temo p.=ratura se aproxima a la T... ~ La I!nlalpía (H) de una mez.cla aire'~'apor de agua s~ define como la suma de calores cantentdos en ese aire y en el agua que está !lresente (c310res sensibles del aire y del agua, calor la tente del agua bajo la forma de vapor). Por lo general. esta entalpía se expresa por kg: de aire seco y en relación con un estado de referencia fi jado a O ·C. De esta forma. la H para el aire húmedo a una temperatura 8 viene dada por 13 expresi5n .
(11.7) siendo c",. el calor específico a presión conStan;e del a,re seco (1 k1 kg-I 0C- I para las tem~ra tura.s usuales), el calor especifico a p r esió~ constante del vapor de agua (1,9 kJ kg- t oC' parJ las temp.:raturas usuales) y Á. e! calo r latente de vaponzaclón del agua (2 1.ICl.:t kJ h- I a OoC). El diagrama psicrom¿lrico (diagrama ental!lico del aire húmedo) relaciona distmtas vana· bies psicrom¿tricas (figura 11.21) y permtte. fi· jando dos de ~lIas. conocer rápidamente dlstin· tas caractensticas (H, H., H" pllnfO d~ rocio, r, T~, etc.) de un aire húmedo Est~ diagrama
c,.
2,7
puede u;ibz.:arse par.. ¡os cálculos de secad;). Por ejemplo, si se conoc~ la temperatura y h.1medad relativa del aire a la entrada y a la sa; ¡. da del secador, el diagrama permite enCOntr.Jf los valores de humedad absoluta y por lo tanl., calcular la cantidad de agua tomada por unidad de masa de aire. En la mayoría de los secadores de airu,, · hente, el secado..!!e_~!r de form'!,aproxlmagamente adiabática, es decir, sin inte.lc!Olblo de calor con el exteriOr de! sistema al.mento-aire de secado. En cüalquie-;¡nstant~ del secado, el calor necesario para evaporar d ~gua del alimento se suministra íntegramente por el descenso del calor sensible del aire de secado. Supongamos que se intenta secar u 1 producto utdizando aire a 100 ·C y con unl H, del 20% Segun el caudal de aire por unidad d
278
Tec.,::J~ír: de b
,IoJimentoJ.
mCom.,o.'l,nreJ d, los olime.,tos y proc,~s
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FIGUU 11.21. D¡ogromo pl¡cromÍltrico (()'85 -C).
11.52. Velocidad de uKodo de secado
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FIGUrA 11.22 . Oelorr0l10 de un diogromo pliclomelrico T.. hum.dod obroluro; H,. humedod telori. YO; 10. rempetOfll ro de ouiixl ~eco. T.... tempelclulo de bulbo h';'medo.
Foses y curvos
Cuando se desea deshidratar un ahmenlO (material higroscópico) en una corriente de ane caliente que Ouye paralelamente a la su· perficie de desecacIón, y considerando que la tempera;:ura y la humedad del ai re de deseca· ción se mantienen constantes durante todo el ciclo de desh¡drataclón y que todo el calor necesario es aportado al producto por convecciÓn. los cambios del contenido de humedad se ajustan a curvos dI! ucodo similares a las mostradas en la figura 11 2). De acuerdo con la estructura de estas eurvas. en un ciclo de desecación pu::!en considera,ie di\"e¡;as fase~ o etapas:
Capitulo 1/: ConurvociÓt! de climeflloJ bosodo en lo modilíccciÓII del pH, OlmÓJferc y...
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Contenido de agua
--
279
del plOO.lclO
FlGIJiA ¡ 1.2 J. CutvCS d. deshidrctodon de un l6Ii· do húmedo en oire o 'emperoluro y presi6t1 COfU· !onte. F~nll! s'ennon y coh. f 1980) A) Fau. A·B
También denominada periodo de eSlabilj· lación, en el que las condiciones de la superfi· eie del sólido se equilibran con las del aire de desecación. En general, esta fase consflIuye una proporción despreciable del ciclo total de desecación. aunque en algunos casos puede ser significativa.
Esta tase de desecación se conoce como pe· ríodo de \oIelocidod eonsranle y durante el mismo la superficie del sólido se mantiene saturada de agua líquida debido a que el movimiento del agua desde el interior del sólido a la superficie ocum: a la misma velocidad que la de evapora· ción en la superficie. En esta fase. el agua que se evapora es. fundamentalmente. ¡gua libre re· nonda por movimiento capilar o por fuerzas capilares desde las tonas internas del alimento. La desecación tiene lugar por movimiento del vapor de agua desde la superficie del alimento saturada de humedad, a través de una delgada capa de aire estático, hasta la corriente principal de aire de desecación. Esta capa Umlle de aire est.1uco situada sobre la superficie del producto condiciona la transmisión de calor y es la prinCIpal reSIStencia a la transferencia de vapor 'tle agua. La aplicación.sle una comente de ¡!fe a elevada 1Ielocidad disminuye el espesor de esta capa y. por lo tanto, evita la formación de un gradiente de humedad en el aIre en contacto con el producto. Durante esta fase la velocidad de desecación es dependiente de la velocidad de transferencia de calor a la superficie de desecación . La ... elocidad de transferencia de masa se equilibra con la velocidad de transferencia de calor de forma Gue la te;1'\?e~
(11 8)
280
recnología de lo, J!JimentO$, tI} Componen/el de/os alim.ntol y procelOl
donde dw/dl es la velocidad de S(:cado, k~ el COI':' flciente de transferencia de materia, A el área de la superficie de desecación, Po, la presión parcial de vapor de agua en la superficie del producto (es decir, la presión de vapor del agua a la tem, peratura de la superficie) y p... la presión parcIal de vapor de agua en el medio de secado. La velocidad de transferencia de calor a la superficie puede calcularse mediante la expresión: dQ/d(=n. A (8.-8,)
(J 19)
donde dQ/dl es la velocidad de Irans ie rencia de calor, he el coeficiente de transiero:'!ncia do:'! cator para el calentamiento por convección, A el área de transferencia de calor, 9. la temperatura de bulbo seco de! aire y 9, la temperatura de la 5uperfici~ de desecación (en el catentamiento por convección corresponde a la temo peratura de bulbo húmedo del aire). Dado que se establece un equihbrio entre la velocidad de transferencia de calor al cuerpo y la velocidad de transterenci;} de masa desde el mismo, ambas velocidades pueden relacionarse: (dw/dr»),o ::: - (dQ/dl)
(11.10)
donde..t. es el calor latente de evaporación a 9,. Combinando las ecuaciones antenores ten· dríamos la siguiente igualdad:
SLendo (dw/dr) la velocidad de desecación y A [a superficie de desecación efectiva por unidad de masa de sólidos secos. Cuando se tri la de un producto húmedo de un espesor d, en el que la evaporacIón sólo tiene tugar por la superficie superior y suponiendo que durante la desecación no se produce pérdida de volumen (retracción), tendremos: (d w/dr) =-(hjp,A.d)(9.-6) (11.12)
donde P, es la den$Ldad del producto. El tiempo de desecación durante el período de veleei-
d:lld constanle ~uede calcularse ¡n!egrando es!) última ecuación de la sigUi ~nte forma :
donde, ,< es el tiempo de desecación a velocidad constante, w. el conte!: ido inicial de hume dad del sólido y \~~ el cont,:nido en humedad al término del periodo de ve l..:cidad constante. En consecuencia, los factores que conrrolan la velocidad de deshidrata:ión durante el periodo de veleeidid constante ron el área de la superficie de de$Ccación, lJ dife~encia de temperatura o de humedad enlre el aire y la superficie de desecación y los c'leficientes de tra nsferencia de catar o masa. El coeficiente de transferencia de calor puede e.lpresarse como: (1 Ll4)
donde G e$ la velocidad rr"hica del aire, O/,' las características dimensionales del Sistema y a, n y m son constantes empiricas. Por tanto. la ~'elocidad del aire y las dImensiones del sis(o:'!ma IL'lfluyen en [as velocidades de desecaCión durante el período de velocidad constante . CUiDdo el calor se tra nsfiere, además de por convección, por radiación ylo conducción, he se susl1Iuye por el coe:iciente global de transferencia de calor. En estas circunstancias la temperatura de la superfiCie durante el per:oclo de velocidad constant! permanece esta· ble, pero a un valor superior al de la temperatur, del bulbo húmedo del aIre e inferior al del punto de ebullición del agua.
C) Fast C-D
Tammén denominada perlado dt secado a IItlocidad,drcreciente, Se presenta cuando [a vdocidad de mo~imjento del agua: desde el interior de l alimento hasta la superficie se reduce y, por lo tanto, la presión parCIal de vapor de agua en dicha superfiCIe (Po,) disminuye
(opí/vlo 11: C<)llJ~rvc::;¿'n dI!: olim~nloJ ~Jorio ~n lo modificadon d~/ pH, olmóJfltra y.. progre~i\' amen¡c )" é~'a .;:¡;,;n¡c"za ¡;, ~c.::aa~. El contenido en humedad del producto en el punto C, en el que comienza el descenso de 1" velocidad de secado, se denomi:a. COnltnid,. cr{rico de }Ulmedad (w.). Este valor está rela · cionado gene ralmente con la ve locidad de de · secación, con las dimensiones del producto con los mecanismos de movimiento de la hu medad y con las isote rmas de sorción del ah· mento (capilUlo 2). Normalmen:e aur,¡enta 3' incrementarse la velocidad de des~cación y e espesor del alimento Los alimentos no higroscópIcos (aquello:, qu~ ejercen la misma presión de \'apor de a~u < para todos los niveles de humedad) poseen ur solo periodo de velocidad decreciente. mien tras que los higroscópicos (en los que su pre sión parcial de vapor varia de acuerdo con $l contenido de humedad) presentan dos. En e primer periodo de velOCIdad descendente (CE: el frente de la deshidratación se desplata ha· cia el cenlIo del alimento. Se evapora agua en el plano de nturación y el agua difunde a Ira· ves oc 13 cap;, de alimento deshidratado. Esta etapa finaliza cuando el frente d~ evaporación alcanza el centro del alimento y!a presión par· clal de vapor desciende por debajO de la pre · sión de vapor de saluración El segundo perio· do (ED) se produce cuando la presión partial d~ agua se halla por debajO de la ?resión de \..,. por de salUtaCIón y la desh.idrataciÓn se produce pO I desorción. La velcernad de desecación ~n estos ¡'~'''o· dos de secado eSla ¡imitada, principalme:l.Ie. por la velocidad de mOVimientO de la humedad (de! agua líquida y del vapor de agua) deUITO del sólido. reduciéndose los efectos de los fac · tares ex.ternos. ~n especia; de la velocidad del .a.Jfe (sobre rDdo I!D 1,) últjm~ euruü. .Ea ~ .. fa se, e! agua está ligada a la estructura de! ali · meDIO y su desplazarruento a través de la capa deshidratada es muy ¡enla. Por tanm, para que la velocidad de secado sea apreci3ble es neceo sario incremenlar la temperatura del produclo para suministrar el calor de desorción suficien te y elevar la presión de vapor de agua del ah·
281
r:\ecto. A plnir d~l punta C. la t~mperatuta de la superficie comi~nza a ekvarse progresivamente (disminuye la evaporación) duranle el resto del proceso de deshidratación hasta apro~]marse a la lemperat ura del bulbo seco del aire cuando el producto se ha desecado casi totalmente . En consecuencia, es necesario limitar la temperalura del aire durante la (ase de velo. cidad decreCiente para evitar alteraciones en alimentos ler:nos~nsible$ . De acuerdo con las leyes de equilibrio termodinámico, la a del producto al final del secado será Igual a hu medad relativa del aire de secado utilizado durante este periodo Por ~sto, generalmente resulta indispensable utlliur al final del secado un aire de muy baja humedad relativa. Los periodos de velocidad decreciente normalmente constituyen la mayor proporción del tiempo total de desecación (sobre todo si el contenido inicial de humedad del alimento no es muy elevado). Parece se r que de las distintas formas de transferencia del agua que se preStm.an en los alimentos, el movimiento por capilaridad y por diiu51ón del líqutdo son las de mayor importancia. En general, el primero tiene más relevancia en los alimentos en gdnulos de estructura grosera y ~! último en los sólidos con estructura colOidal o d~ gel, aunque en la mayaria de los casos se presentan amb05 en distintas etapas. Así, el movimiento por capilaridad suele predominar en las primeras fase ~ de secado y el mecanismo de difusión cuando el conlenido en humedad ei baJO. En los sistemas en los que opera el mecanismo de OUJo capilar, la velOCidad de desecación puede ex.presarse con bastante exactitud mediante la ecuación;
1;
(dw/dt), '" -K ('" -
"'el
(11.15)
en la que (d w/dr)r es la ve!ocicad de desecación al :Iempo r del comienzo del periodo de velocidad decreciente, '" el contenido en humedad del produclo al tiempo 1 y wt el contenido en humedad de equ¡Jibrio de! producto a la temperau.:ra y humedad del aire.
Combinando esta expresión coo las ecuaciones del periodo de velocidad de secado constante tendremos: (dlV/de)(= [-he (8.- 8,)/(p, l. d)J
(w-w,)/(W<-IV,)]
(11.16)
Si la eCJaci6n se integ:a dentro de los límites 1 :: O, loto' '" w<' ¡ = 1 Y w = w, se obtiene el tiempo de desecaciÓn del periodo de velocidad decrecient~ de la siguiente forma : 1'"
[p,;.,d (w< - w)/Jt. (8. - 8.lJ In (w,-w,)/(w - w,) (11 .17)
En los sólidos de forma aplanada en los que la desecación sólo se produce por una de las superficies mayores y en los que la difusiÓn del agua líquida controla el movimiento interno de la humedad se sugiere el siguiente tipo de expresión:
e= -4 tP/n 2D (ln (w - w,)/("'. - w,) - In 8/,,2] (11.18) donde w es el contenido medio de humedad al tiempo ¡ de una lámina de grosor d, w, el con' tenido inicial de humedad suponiendo que es uniforme en toda la lámina y D la difusi\idad del líquido. Esta ecuación es válida para valores (w - w.)I(w< - w.l < 0,6. Diferenciando puede obtenerse una ecuación para el cálculo de la velocidad de secado en el periodo de velocidad decreciente : (dwldl), = -( D1t!f4tf1) (w - w,) (11.19)
Estas ecuaciones de velocidad son válidas cuando la desecación de una lámina ocurre por un solo lado. Cuando el proceso es bilateral, d equivale a la mitad del espesor de la lámina .
¡ 1.5.3_ EFeclo en {os coroclerísticos de los o{imenlos Todas las consideraciones teóricas anteriores corresponden a sistemas simples definidos. Sin embargo, los ahmentos ron complejos y heterogéneos y son muchos los factores de los que de-
pende el contenido critico de humedad. Esto hace que los resultados obtenidos a traves de las ecuaciones descritas sean, en muchas ocasiones, poco satisfactorio! y sea necesario detemtinar la duración de las fases de secado mediante pruebas experimentales en planta piloto. El agua presente en los alimentos se encuentra formando parte de disoluciones de diversos sólidos, de geles, de emulsiones o ligada de diversos modos a los componentes sólidos. Por otra parte, los tejidos vegetales y animales son de naturaleza celular, lo que condiciona e! proceso de deshi· drataclÓn. De esta forma, el comportamiento de los ahmentos durante la deshidratación es muy variada. Así, un contenido alto de agua acelera la velocidad inicia! de secado, los alimentos con un eb'ado porc~ntaje de almidones (con mayor proporción de agua ligada) apenas presentan periodo de velocidad constante, mientras que en los que son ricos en sustancias que absorben pocJ. agua (sales, azucares cristalizados, lipidos) esta fase de secado es muy importante cuantimivamente. La transferencia de vapor de agua es proporcional a la superficie de exposición durante el pe.iodo de velocidad de secado constante y al espesor en la fase de velocidad decreciente. Por tanto. es importante tener en cuenta las di· mensiones de las partículas del alimento que se va a tratar para conseguir una adecuada regulación del proceso de deshidratación en reja· ción con su sensibilidad termica y la velocidad de secado que se desea obtener. En la mayoría de los casos, al comienzo de la deshidratación aparece en la zona superficial una capa relativamente deshidratada hacia la que emigra el agua libre desde e! centro de! alimento, mientras el agua ligada de la zona superficial no se evapora_Dependiendo de las características de los alimentos y de las condiciones de procesado, 105 cambios en el contenido de humedad de la superficie y del centro del alimento a lo largo del secada pueden producirse a distinta velocidad y dar Jugar a diversos cambiOS y alteraciones, entre las que destacan, por su intensidad y frecuencia, !fes:
Capitulo ¡ ¡:
Coruel'\<'QciÓl'l
d.
afimen/OJ DC:UOOO en
A ) Endu.reClmiento superficial
Puede producirse por mültiples vías y bajo la influencia de divertos factores. Cuando el secado inicial es muy rápido (caD aire que presenta una fuerte diferenciil. entre la temperil.tura de bulbo u co y hW71edo), el vil.por de agua puede eliminane de la superficie del producto con mayor rapidez que con la que el agua se desplaza desde el centro del alimento. En estas condiciones puede aparecer (en frutas. carnes, pescado, embutidos) una fuerte retracciÓn de la capa superficial, que se comporta como una peifcula dura e impermeable y ofrece una ruerte resistencia a la posterior transferencia de vapor. Para retrasar la evaporadón y evitar estos problemas puede utiliurse aire de humedad relativa elevada, a baja veloc1dad y a una tem o peralura adecuada para favorecer la difusión ¡mema del agua del alimento. En muchos ahmenlos no existe peligro de formaciÓn de coro leza y, por lo tanlo, la deshidratación puede re· alizarse a mayor velocidad. En algunos casos, la formación de COrle!o (Cllse narden¡ng) se debe a [a concentraCión de azúcares en estado vítreo. El endurecimiento superficial tambi~n puede producirse por las elevadas temperaturas que se alanun en las capas externas al final de [a desecación que inducen complejos cambios físicos y químicos. 8) MovimitrrlO de s6!idos solub{~
Es frecuente, especiil.lmente cuando el seca· do inicial es lenlo, que las sustancias solubks en agua (ules y azúcares sobre todo) sean il.rril.stril.das por el agua de~e el centro hil.cia la superficie, donde se concentran y pueden llegar a cristalizar o (armar una capil. amorfa, de aspecto pe. gajoso e impermeable que dificulta ~! paso de vapor de il.gua. El movim1ento de algunos compuestos solubles puede estil.í impedido por Iil.s puedes celulares (membranil.s semipermeables). Por otra parle, la retracción de los productos favorece 13 17ügración de los sólidos ya que con tribuye a crear presión en el interior de fas piezas.
la
mext.(ieocIÓl'l
d.1 pH,
afrnÓJF.ro y..
283
El tesultil.do de ~slos hechos es la concentración }" el depósit
C) Reuacci6n Los ahmeOlO'S (:ejidos animales y vegetales) experimentar. durante la deshidratación un cierto grado de (ettacción que puede considera~e proporcional iI. liI. salida progresiva del agua de las células. Los productOs coloidales también se retril.en CUil.ndo se deshidratan. Esta contracción o retracciÓn es mucho más acusada cuando la deshid ratación es lenta y se produce iI. pesar de la resistencia de los elementos eSlructuril.les de tos tejidos (figura 11.24). En las primeril.s fases de secado, el nive! de retracción está relacionado con la cantidad de humedad elimmadil.. Hacia el final del secado liI. retracción es cada vez menor, Ce fo:ma que el til.maM y lil. forma definitiviI. del producto se alcanza antes de completarse e! proceso. Por tanto. si el secado se realiza de formil. lenla (espeCialmente en su inicio) el producto se retrae , con la cons1guiente reducciÓn de volum~n, tiene una aparienc;iI. distinta a la inicial y es más denso (figura 11.24.i!.). Cuando el secado es nipido, la formación de unil. capa deshidratadil. y r¡gida en la superficie del alimento sirve para fijar el volumen final de! produclo. La posterior desh1dril.taciÓn del interior del alimento puede provocar desgarra· mientos y vacíos rnlemos. En los casos en los que el secado es muy rápido, la transferencia de agua puede hacerse en tormil. de vapor. Así, el produclo resultante conserva pr,kticamente la
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Tecnologio dft lo, AlimentoJ. (I) ComponftnlftJ de IoJ olimftn/oJ y prOCflJOJ
f CURA I 1.24. C::¡roC;rflrliri<;oi de 10i ol,mflntos de1h,drotodos en relodá n con 10 velocldod de secodo: o) lenro y b) rápido.
(arma y volumen iniciales, es ligero y menos denso (figura 11.24.b). Presenta, además, una es:ructura porosa que Cadlita l::! re hidratación.
Sin embargo, esta tilljm3 caracto::IÍslica les bace más sen3ibles a las alteracIones o Qdatlvas. La retracción de los ahmentos dUla1l1e el secado pu~e condicionar las velccidades de des· hidratación como consecuencia de la reducción de! área superficial y de la creacIón de gradientes de presión en e! interior del produclo Durante la deshid ratación tambIén pueden presen tarse otro tipo de alterac.ones (sobre todo si la temperatura e~ relativamente e!evada), entre las que pueden citarse las sigweotcs
1. El almidón puede gelatmizarse, adsorbiendo fuertemente el aglla. Esto origina la formación de una capa Impenneabk al vapor de agua <:!n la superñcle 2. Los componentes tennoplásl¡C03 se fun· den.y ablandan dande lugar a problemas de aglomeración y de adherenCIa al envase. 3. Cambios del estado cnsra..Uno aJ amorfo (especialmente en azucares). 4. Pardea miento no enzimático, favorecido por la temperatura akanzada durante el procesado y el aumenlO de $Qlutos
en el alimento. La velocidad de pardea. miento es má.tima para una a~ en tomo a 0,6, por lo que se aconseja mantener el alimento en estos valores d menor tiempo posible r!alizando una deshidratación rápida. El pardeamlenlO no enzlmático modifica desfavorab lemente el color. sabor, valor nutritivo y, a veces también, la capacidad de rehidratación de los alimentOS; e$te pardeamiento puede ser Iflhibido parcialmente con el empleo de anhídndo sulfuroso (capítulo 5). 5. Pérdida por evaporación de susta ncias aromáticas volátil!s. Este hecho depende de la masa molecular, de la presIón de vapor y de la solubilidad en el agua de esas sustancias. La influencia de las condic:ones de deshidratación en estas pérdída~ es poco conocida Aunque durante el procesado la temperatu ra sea relativa· mente elevada y la presión parcial de vapor ge agua baja, las sustancias aromáticas volátiles sólo se pierden parCIalmente (incluso cuando se trabaja bajo un cierto grado de vacío), lo que se debe a que su difusión a través de la materia seca es inferior a la del agua. Por otra parte, estas Sustancias son reteOldas 1 adsor-
Capitulo //; CanJervación ce alim,flfo, boJOda
bidas por d¡itint.;.. e.. :rl;:;:¡¡~aS ¡. ::orn· puestos. Tal es el caso de las microrredes amorfas establecidas por moléculas de glúcidos unidas por puentes de hidróge. no. La rehumldificación ongma la crista · lIzación de azúcares y la liberación par· cial de las sustancias aromáticas. En el caso de la deshidratación de purés de le· gumbres y de frutas puede n adicionane almid6n o dextrinas, que meJoran la retención de sustancias volátiles y reducen los fenómenos termoplásllcos 6. DisminucIón de la capacidad de ret.:n· ción de agua, que puede deberse a la desnaturalización y agregación de las proteínas consecuentes al incremento de la tempe ra tura y de la concentración de sao les, así como a la desorción del agua. También puede relacionarse con· la d.:sestabllizaclón de geles (de pectinas y al· midones) y a la modificación de la pre· sión osmótica causada por la destruccIón de membranas celulares. 7. Cambios de textura. Los productos rehidratados no recuperan la turgencia (car. ne, frutas) ni el carácter crujiente (hortali· zas) de los productos frescos. Las pérdi. das de textura están, geMralment
'11 fa mocJ¡hcocion Ce! pH. atmo,/,ro y..
265
9. Cambios en el color. La deshi l.rataciÓn provoca cambios en [a superfic e del ali· mento que modifican su ret]ec¡¡ncia. Los carotenos y las clorofilas pueden afectarse por el incremento de la temperalura y sufrir oxidaciones durante el proc~sado. Por oua parte, durante el almilCClamiento pueden presentarse problemas de pardeamIento enzimático, el cual puede prevemne realizando un escaldado prl!:vio y tratando algunas frutas con ácido ascórbico.
/1.5.4. Equipos y aplicaciones
Los equipos utilizados para la deshidrata· ciÓn pueden clasificarse teniendo en cuenta distintos aspectos. Asi, hay eqUIpos que traba· jan a presIón atmosférica, mientras que otros lo nacen bajo cierto grada de vacío. En :l cuadro 11.3 se enumeran los métodos..de d~shidrata ción atendiendo a la forma en que se uansmlle la energía en ellos. La elecciÓn de un procedimiento do: secado depende de las características fisicas (VIscosidad en los líquidos, tamai'iO en [os sólidos) y químicas (sensibilidad térmica. predisposición para la oxidación) del producto, así como de la diversidad y cantidad de alimeneo a .,rocesar. TambIén nay que tener en cuenta la calidad del producto que se desee obtene r. Algunos pro· ductos pueden deshidratars.: en dos etapas por procedimientos disnntQs.
A) DeshidrataCIón COII aire cali~ntt
En eSlos equipas el alimento se pone en contacto con una corriente de aIre cali,!nte que, principalmente par convección. aport~ el calor sensible y el calor la tente de evaporacIón. El aire, además, arrastra el vapor de agua libera· do del alimento. En muchas de estos equipos, la velocidad de deshIdrataCIón y las caraclenslicas del pro· ducto final dependen en medida del mOVl-
van
286
T&CnoJogío de los Aljmefflol. PJ Compone",.! (/" 10J olim","IoJ y proceroJ
0J..0.0I0 1 1.3. MeIodo. cM d..llidrorociOto ""'" empleado. on le! Lndu",.ic Ali .... nIoria. l . DESHIDRATACIÓN CON AIRE CAUENl"f
El a~",,"r\I':I .. ~ en cOf>/ock> con lItO(! CQ(I"ia"", de .,;. ... cal .... te. El cobt .. aparta al ptodCO::k> principolme .... ?<" convec.:ión 1.1. s.ccdlOtC d. do. pl.cnfa. 1.2 s.cGd.ta d. cabO"", bar.do¡a. o c""'PC'rti",ento.
1.3. Secadero de ~ I
I.e. Secadera noumatico 1.9. Seccd.ro aramizador 2 DESHIDO.rACIÓN POR CONTACTO DIRECTO CON UNA SUP:RFK:1f CALJENn'
2.1. s.cadera d. rombor c de rodilla. 2. I .0. s.coo...o o. oombor único 2 .1. ~. 5e<:od .. o di rembor dob:' 2. I.c. 5.cadora d, lambo.-•• ge",oIo. 2.I.d. 5.cod.,o de rombor a .-atio 2.2. Secadera a vocio de plac'" 2.3. Secad,ro o.-atio de ,i"1a .. AA"
•
J . DESHIOAAIAOÓN POR AfORTE DE ENERGÍA EliCnOfMGNETICA El color .. opone principalm,nl. ?<" redioc¡¿'n, .n"gio miergo,,"'" O por eo¡''''omi."", dieléctrico J. 1 s.cad.ra ",IrOrTojo ,a,.,.MiK)
3.2. s.cod.ro cOI1 ",icroonda. 3 J . Secadero con calenr"""ento di.lictr;';o
miento relativo del aire y del producto, el cual puede ser básicamente de cuatro rormas: 1. Flu.jo concurr~n!l:. El producto y el aire se
mueven en igual dirección y sentido. Este sistema permite una rápida deshidratación inicial porque la temperatura del aire en el punto de entrada del producto suele ser alta. Sm embargo, la temperatura de
su superficie es muy inferior a la temperatura de bulbo seco del aire, 10 cual supone un mínimo deterioro por cálor del producto. Además, el alimento estará en contacto con aire cada vez más frio y más húmedo, reduciéndose progresivamente el riesgo de dicho deterioro_ Por otra parte, la alta velocidad inicial de deshidratación asegura una mrnima retracción del producto y una baja densidad en e! producto final. Un aspecto negativo es la disminuci6n progresiva de la velocidad de deshidrataci6n, como consecuencia de la mencionada reducci6n del potencia! de secado del aire a medida que avanza hacia la salida de! equipo De esto se deduce, además, que será difícil obtener productos fi· nales con un bajo contenido de humedad. 2. Flujo ~n conrracarrientt. El producto y el aire se mueven con igual dirección pero, a diferencia del anterior, en sentido opuesto. El aire con el que se encuentra el producto al entrar en el equipo tiene escasa capacidad de secado, por 10 que la velocidad de deshidratación es muy lenta al principio. Esto hace que la retracción del producto sea muy pronunciada y su densidad final más elevada que en el caso anterior. También es superior el riesgo de alteración de! producto al estar en contacto con 2.ire húm~do r relatl\-ament~ caliente durante un período de tiempo considerable. Con este sistema los productos finales tienen un contenido de agua muy bajo, porque contactan con ai· re caliente y seco. con un elevado potencial de secado, en la zona del equipo pr6xima a la salida. En contrapartida, el riesgo de sobrecalentamiento del alimento será mayor. El gasto energético es infertor que el del sistema concurrente. 3. Flujo con evacuaciólI cwrro.{ dI: aire. Para evitar los inconvenientes de los sistemas anteriores, a menudo se combinan empleando primero un flujo concurrente, con aire más caliente y a mayor velOCidad, y a
Capitulo 1/ COo'lsarvocio... d. alimen/OJ basado en /o modificxio... d~ pH, otmoJfero y...
continuación un flujo en contracorriente, con aire más bio y seco. De esta fonna se acortan los ¡icmpos de secado y se au· menta la capacidad de producciÓll, SiCJ'ldo más fácil el control de las condiciÓOes. 4. Flujo trollsversal, La dirección de! mo, vimiento del aire en este sistema es pero pendicular a la del producto. Las condicIOnes de secado se controlan más fácil· mente porque existen vanos calentadores en las distintas zonas y el tiempo de pro· cesado se reduce. El contenido de humedad de! producto fina! es más homogéneo por el movimiento del aire , que cambia vanas veces de dirección a lo largo del equipo El coste del equipo es superior por su complejidad. El equipo más sencillo para la deshidratacIón de alimentos es el Stcadero de dos planlQJ. de operaciófl disconlinua. Es un edificio de dos plantas con un horno o quemador en la infe· rior, donde se genera el aire caliente que as· ciende por convección a la superior. En ésta, y sobre un piso enrejillado. se distribuye el producto sólido y húmedo que se va a tratar en ca· pas de unos 20 cm de espesor. El aire. húmedo Iras atravesar el lecho del producto, sale por una chimenea que se encuentra en el piso su· perior. Aunque este equipo es de construccIón sencilla, tiene varios inconvenientes: el control de la operación es difícil, el tiempo necesario para la deshidr¡uación es muy prolongado. el' contenido de humedad final del produClo no es muy reducido y requiere mucha mano de obra, pues la carga, el volteo y la descarga del pro· dueto son manuales. A pesar de ello, todavía se emplean para finalizar el secado de alg unos productos con un baJO contenido en humedad y con lenta velocidad de deshidratación (lúpulo. malta y rodajas de manzana), para los cuales no supondría una ventaja económica em· plear equipos con mayor capacidad de secado. Los stcaderos de cabina, bandejas o como partlmentos son Similares a los ante no res, pero permiten disltibuir los p:oductos en capas más
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finas (de unos pocos centímetros) en bandejas que se encuentran en el intenor de una cabina aislada. E! aire se mueve gracias a ventiladores que lo impulsan a trav~s de calentadores (que. madores directos de gas, serpenllnes ca!enta. dos con vapor o resistencias eléctricas). Para que la deshidrataci6n sea homog~nea se emplean pantallas. deilectores o conductOs que dirigen el aire sobre el produclo (2·5 m S-I) o a tra\'~s de bandejas perforadas (0,5·1.25 m 5-1). Son económicos en cuanto a su construcción v mantenimiento, pero sólo 50n adecuados par~ operación a pequei'la escala (1·20 T/día) o en plantas piloto Su principal aplicación es el secado de porcIones de frutas y hortalizas. Los secaderos de toh'a son instalaciones ci· líndricas o rectangulares. en las que el produc. to se dIstribuye sobre una malla perforada. El flUJO de aire caliente es moderado (aproxima· dame Ole 0.5 S-I por mI de superficie) y el producto se puede vollear periódicamente. Se utilizan como finalizaeores, para reducir el con tenido de humedad de productos tratados en otros equipos desde un 15% hasta un 3·6%, así como para homogeneizar su contenido de humedad (lúpulo, malta, rodajas de manzanas). Los productos han de ser resistentes a la deformaci6n mecánica, porque pueden estar 50metldos a pres iones relativamente elevadas, y mantener un lecho con estructura porosa. Los secaderos de túnel, de hasta 24 m de longItud y con una sección circular o rectangular de 2 x 2 m, permIten una operación contmua o se· miconlinua y, por 10 tanlO, una mayor producción. El producto se distribuye en capas unifor, mes sobre bandejas que se disponen en vagonetas o carros, de tal forma que quede un espacio adecuado entre las bandejas pa ra la circulación del aire. Los \'entiladores fuerzan el paso del al' re a traves de calentadores, el cual se mueve ho· rizontalmente con respecto a las bandejas a una velocidad de 2.5-6 m S-l. Dependiendo eje l¡l direcciÓn relativa del movimiento dd aire y del producto se distinguen varios tipos de túnel concurrente, en contracorriente. de evacuación central y de flujo transversal (figura. 11.25).
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Tecnología de IoJ Alimen/Cl. f/I ComponlfflteJ de Ia, a/imenlol y proceSOI
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Entrada deaire -
Sor", de aue CalentadOres FIGUAA 11.25. Secc::deros de IÚnel· o) concurrente; b) o controeomente; el de lOlido de oire eentrol; y di de Auio tronsverlCl.
los Sf!caderas rOla torios también son de operación continua (figura 11.26). ConSISten en camaras cllfndricas inclinadas que, al girar, mantienen el producto en continuo movimien[o. El cilind ro está provisto de palas o aletas in· lemas para favorecer la mezcla del producto. su contacto con el am: calienle y eVItar que se adltiera a las paredes. El modo de calentamien·
10 puede ser direClO. cuando 10$ productos están en conlac[o íntimo con el aire cahente (ti. gura l""ñf.6.a) o indlreclo, cuando éste circula por el exterior de [a cámara y el calentamiento es, entonces, por conducci6n y radiacióo a traves de la pared de la misma (figura tl.26.e). Algunos equipos combinan ambos modos de calentamien [o (figura 1L26.d). la circulación
Copilu/o 11: Conj8lVt1ción de a/imenfoJ caJoclc en lo modiFicoción de/ pH, OImÓJfero y... de~ aire i" de~ p;ocl ... c¡o p .. ede se. c,)n~urre¡¡te o e n conlracorrienle (figuras 1l .26.b)" c). Estos secaderos son adecuados para prod!!cto! que tienen tendencia a la adhesión y cierlll resistencia mecánica (pastillas de caldo de carne, azú' car cristalizado y semillas de cacao). Los secaderos /fansporwdoftS o d( cinta sinfin tienen un funcionamiento muy si¡n!!ar a los de túnel, a los cuales están reemplazando progresivamenle. El transporte del producto a lo largo del túnd se hace sobre una ci:Jla smfin, siendo la carga y la descalla aUlomát as. Aunque el mo\ilTUentO del aire y del proc'ueto puede ser concurrente o en contracomente, 10 más habitual es que sea liansvenal al prollucto: con flUJO ascendente en la primera parte Cd timel y descendente al final, cuando el producto tiene menos densidad para evitar que se separe de la cinta. El secado es más rápido porque el pro· dueto, distribuido en capas de poco es¡>c:sor, tie· ne un elevado contactO con el aire. Para ahorrar energía, el producto permanece en el :unel hasta que su contenido de humedad se ha reducido hasta un lO-IS%, pasando a continuación a se· caderas de tolva, donde finaliza su desh1dratación. La pnncipaJ aplicación es el secado de productos sólidos. como frutas y hortalizas plcada.s. Estos equipos también se pueden adaptar para productos líquidos (d~sh idfaU1ción el! tspuma). Para ello, el líquido se mezcla con un agente espumante y se incorpola .!.Íre O un ga.s inerte. La espuma formada se eXtlende en una fina capa (2·] mm) sobre una cinla de malla met.ilic3 ~r· (orada en tiras o en láminas a [as que se aplica un chorro de aire comprimido para formar crá· teres en [a espuma extendida. El objetivo es aumenear la superficie de exposición de 111 espuma al aire caliente para acelerar la velocidad de deshidratación.. El ~ Jo: ~ e.." :.!.!' .lÚll!!I.c"'" flujo concurrente inicial, seguido de un flujo a contracorriente. l05 productos finaks, como por ejemplo zumos de muas. son de uca exce[ente calidad ( tiempo de procesado corto y baju temperatura!!) y se re hidratan fáa lmente. En los secaderos de lecho fluidilado. el aire caliente no sólo actua como medio de deshidra-
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FIGIJlVI,. 11 26. Se.:ederOl rclatories: e! de ceJente· m;e:nlO d"ec~c; b) de: ñu[o concurrente; cl de Au¡e .11 eeMrocornen1e; dJ de colenlQm;enlo milde direcloirldireeto; y el de co[enlo:nien!Q directo, p« eonduc· ciÓ<\ los Reches lólidol ¡I"Idieon .1 mevimiento del prodOXIO y !el rcyodol el del oire coliente.
[aCión de los productos, sino que también favorece su movimiento (figura t1.27). El aire atr¡vieu e/lecho de/ producto dispuesto sobre una placa perforada, ajustando su velocidad para que las partículas se mantengan en agitaci6c continua. Las condiciones de !lujo turbulento
Calen~COI'
flGUtA 11.27 Sec:odero de lec;ho fluidlIOdo de ~roc::IOn con/tnuo y con li$temc de rt~Jperllci¿'n d. final. Lea RedlOl sbJidoJ indicen el movimi.nlo del producro y Iol toyodos el del cite
en el lecho del producto, con un pequeño espesor de la capa límite, determinan que la veloci· dad de secado sea más rápida. Cuando la deshidratación final a1cantada no es completa y uniforme, lo cual OCUrTe a veces cuando el equipo funciona en continuo, el producto pasa a continuación a Otro tipo de secadero. Para la recuperaciÓn de finos. en el conducto de salida se puede acopiar Un ciclón separador La deshidrat
ciclad que en los secaderos de lecho f1uidiz:ado, de tal forma que Iransporta el producto al mismo tiempo que lo deshIdrata. El flujo del aire se ajusta para clasificar las partículas: las más pequeñas y ligeras. ~ue se secan antes, son transporladas rapidamente por los conductos hacia la salida, mier.tras que las m:is grandes y húmedas ~rmaneccn en sus~nsión más tiempo. Para aume:uar el l.lempo de residencia del producto en estos secaderos se pueden emplear varias columnas en serie o sistemas de recirculación de productos como se muestra en las figuras 11.28. a y b, res~ctivamente. Otra alternativa, cuando se requieren tiempos de secado más prolongados, es emplear suaduo$ ncumáIICOS en anillo, en los que el producto puede permanecer duranlC vanos minutos hasta que se completa su secado. A la salida del conducto se disponen ctclones o filtros para separar e! producto seco del aire. Estos secaderos son muy útiles para deshidratar y tr¡linsportar simultáneamente algunos productos, como granos de cereales, hannas o copos de patata. Olra aplicacIón es como secaderos secundarios, para fin? ~i ur el secado de productos parcialmente deshi-
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Intilador
~~~>.::J'~ooJ Venruri
FGUlA 11.28 Secaderos f'\evmci:llcor 01 con verios cortductos en lerie;
y bl con recirc....loe,ón de ¡:lfo(L"to.
dratados en onos eqUIpos de los cuales salen con un contenIdo de humedad del 25"0 (leche y ovoprod uclos en polvo). En ambos casos [os productos han de ser sólidos particulados y con poca tendencia a formar agregados. El equipo más importante para 111 deshidratación de prod uctos líquidos con aire calie nte en la Ind us tria Alimentaria es el srcodero otomlzado" El produclo líquido se subdivide en gotas muy pequeñas en el interior de una d:' mara, donde se ponen en contacto con aire caliente. La evaporación del agua de las gotas es
prácticamente ins tant.t nea, transformándose cada gota en una partícu la seca que es transo portada por el aire de secado. A continuación, ya la salida de 1", cámara, las part ículas secas se separan de la co rrie nte de aire en la que están suspendidas y se recogen para su envasado. La velocidad de deshidratación oc muy alta por· que el .irea superficial de [as partículas es muy grande y la temperatura del aire es elevada (l50·}oo oC). Sin embargc, el riesgo de sobre· calentamiento de! producto es mínimo porque la temperatura de la superficie de las partículas
normalmente no supera la temperatura de bulbo húmedo d~I aire de secado (40-70 GC), ;:c: el enfriamien ~ o asociado con la evaporación de! agua, y pC'rque su tiempo de residencia en la cámara es breve (t -10 s) . Los tres ekmentos esenciales de este tipo de secaderos s::m el atomizador (a! que debe su nombre). la cámara de secado y un sistema para la recolecci:n de las partículas secas; tiene. además, vent¡!i.,dores y calentadores de aire. Uno de los aspe:tos más criticas en estos equipos es la atomización del producto. Para que la deshide¡ :ación sea rápida,! uniforme es fundamental obtener una aspas ión de gotas con un tamane, pequeño y homogéneo. Además. el tamaño de las gotas determinará el di! ¡as partículas !ecas finales. Los tres tipos de atomizadori!s rrás frecuentes son: L Atomizac.ur de boquilla a presi6n. El líquido pasa a g-:ln presión (800·2.400 kPa) a través de un es,recho orificio y forma una aspersión de partículas finas (180-250 ¡.1m) en forma de cono hue·:o. La geometría de la boquilla determina el áng\llo deLcono de la aspersión. 2. IHomi:.ador de boquilla de dos fluidos. El líquido se bombea a baja pres;6n, tan sólo para inducir su movlmiento, introduciéndose al mismo tiempo un chorro de aire comprimido que provoca una fuene turbulencia y la atomi· zación deseada del líquido. La distribución del tamaño de ¡as partículas es más amplia que en el caso anterior. Es,os do~ ato:nizadores no son adecuadas para materiales líquidas con pequeñas particulas, por la posibibdad de obturación, o cuando éstas son abrasivas, porque la boqui!la se en~ sancha y el tama!10 de las panículas aumenta progresivamente. 3. Atomit.ador cencrr[¡¡go. La atomización se logra'bombeando el líquido a un disco giratorio (150-350 mm de diámetro. 15.000 rpm), que se encuentra en el extremo de un eje, donde es acelerada y del que sale por unos canales radiales (figura 12.5). Se caracteriza por lograr una aspersión de gotas con tamaño pequeño y
muy uniforme (50-60 )Jm); el tamaño de las go:as depcf,de d
CapíttAa 11 ; CaourvociÓll de alimeolol bdsoda
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Alimentación
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Las pri:;.:::ipale:i .eota.las de la deshidratación por atomización son: gran calidad de los productos obte nidos, rápic a ve locidad de secado (segu:ldos). ele\'ado volJrnen de producto procesado (en algunas ¡OS!. [aclOnes hasta 80 tone ladas por dial, menor coste de la mano de obra, así como sencillez :fe operación y mantenimiento. El coste dd , ~quipo y de operación mn ¡as prmclpales desventajas, junto con la ne o cesidad de un contenid) inicial de agua en el produclo relalLvamente alto para que se pueda bombear y atomilar Cada apllcaclón com :eta requiere un equipo con uo. diseño específico. Los productos que habitualme nte se deshIdratan mediante esta ¡e cn ica son. líquidos o ~astas y purés con una .'i sco~id ad ade,uada pae.1 ser atomizados, como l~c he, suero. caseinas, o\'op roductos, pr~para· dos para alimentación ill:anttl, café. té , prot,,!. nas, aromas encapsuladc~, extractos de carne y levaduras, etc. Los productos termoplbticos, con un comcnido elevad;> de azutar y otros sólidos solubles (zumos de fruta o de tomate), tienen te:ldencia a fundtrse j pegarst a las pafedes de la cámara incluso cuando están secos. Por dIo es necesario enfriar la parte ¡nte n or de la pared mtema de :a dma r.l y/o añadir compuestos que reduzcan la tend~nci a del polvo deshidratado a pegarse a las paredes de la cámara.
Ptodvcto
FICiUlilA. 11 29. Seca¿erOI clom; zadorol 01 COI"I'OIO Cilindrica alargado, COl"l etomizodol di ¿al íluidos; y b) camera cOnico con otomizodor ,otnttin,go.
métodos alternat ivos o complemeotarios son 105 filtros de tela (0,3 m de diámetro. 1 m de largo), separadores húmedos (en los que el aire pasa por un recipiente con líquido donde quedan retenidas las partículas sólidas y que se mezcla a continuación con el Uq uido de eorra da), y sistemas de precipitación electrostática. La comhlCación de algunos de eStos sistemas permite recuperar basta el 99% de los sólidos contenidos en la comen.e de alre de salida.
B; DesfudruraciÓI1 por conraclQ c o n lOnG superficlt: =alil!nce El calor senSIble y el clloe latente de evaporacIón son, en este caso. aportados por conducción. al poner el pro.luclO humedo sobre U 03 superficie calieme. La eficacia térmica es supeflor q~~ ~ .el ¡ecado con a:te calie nte, ya que no es necesario calentar un gran volumen de aire . Si el secado se hac: a presión atmosférica. cuando la difustón del liquIdo del ¡nlenor a la superficie del producto disminuye , la tempera· tura de éste puede llegar a supe ra r los 100 "C. Por ello. para alimentos sensibles al calor la operación se lleva a cabo a presión reducida;
294
Tecnología de 1m ,l.]imentoJ. ~I ComponenJ.J de 101 oti~tQJ y proceJOJ
Alimenll)
",,'" s",,,, Po,., FIGURA 11.30. Diagrama de I.m le<:odera olOmizodo.-.
esto tambien permite la exclusión del oxígeno, reduciendo el riesgo de alteración en productos sensibles a la oxidación. La. distribución del producto en la superficie caliente es un aspecto fundamental. Para favorecer la transmisión de calor y de masa y evitar un ca lent¡¡miento excesivo, la capa de producto ha de ser muy delgada: hay que tener en cuenta que la conductividad termica de los alimentos es, en general, baja y que dlsminuye a medida que se reduce su contenida de agua. Tambien es importante evitar la contracción del producto durante el secado, porque al disminuir su contacta con la superficie caliente se dificuha la transmisión de calor. Asimismo hay que eliminar el vapor de agua que se desprende del producto, la cual se puede hacer can una corriente de ¡¡ire Los secaderos d~ tombor, también denominadas de. rodillos a dl. pdícula, san cilindros metá licos huecas que giran horizontalmente. Por su interior circula el medio de calentamiento, generalmente \apor a presión, alcanzando la superficie de! cilindro unos 120·170 "c. El producto, liquido o en foona de papilla, se aplica
como una fina capa sobre la superficie externa del tambor. La deshidratación del producto fi· naliza antes de que el tambor complete el giro (de 20 segundos a 3 minutos), despegándose de su superficie con una cuchilla o rascador que se sitúa a unos 314 de revolución del punto de aplicación del producto. Estos secaderas se clasifican según el número de tambores. único, dobl!. o gemelos (figura 11.31). Hay múltIples sistemas para aplicar el producto a la superficie del tambor: inmersión en baño, aspersión, rodillas de alimentación auxiliares, etc. La elección del metodo de alimentación es de gran importancia para que el grosor de la película sea adecuado y dependerá de las características del producto (contenido en sólidos, propiedades reológicas, etc.). Los $Ccaderos de tambor permiten una producción elevada y son muy económicos. Son útiles para alimentos relativamente resistentes al Ciliar (copos de patata, leche, suero, sopas, cereales instantáneos), aunque los productos finales suelen tener sabor y olor a cocido. Los materiales termopl4sticos (zumos de frutas), sin embar· go, son más difrciles de tratar. En este casa es
Copitvlo 11; Cor:'lIrvadón de olimenlOJ hcsodo en Jo modilicoeiOn d.l;Xi, otmósf.ro y...
295
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eh FIGUlA 11.3 l. Diferent", cOflli9urocione1 y moc\Q de olimentcClón d. 101 secad.,os d. rombor o rodillos: o) de tambor unico; b) de tombor doble, y c) d. tombor", 91/111101.
conveniente aplicar frfo en la zona mmediatameme anterior a las cuchillas, por ejemplo me· dlante un chorTO de aire, para que el producto sea quebradiza}" menas pegajosa. Cuando operando a presión atmosférica esto no es suficiente, se han de utilizar ucadero! de UJmbo, a "a:{o. El mayor coste asociado a la generación y al manlemm.ien!O de condiciones de presIón reducida, lo cual pennite emple3f temperaturas mts bajas durante la operación, determina que su uso se limite a la obtención de productos de gran calidad. Los equipos en 10$ que se aplica vacío tienen cuatro componen tes fundamentales: una cámara hermética de vacío de construcción robusta con puntas de entrada y salida para el producto y los gases y vapores; una fuente de calor; un sistema para generar y mantener el vacío (0,13·9,33 kPa), como una bomba de vacío o un eyector de vapor; y componentes para retirar el Yapor de agua a medida que se e"apara del allmenlO, bien el mismo eyector de ya por o un condensador.
El secadero a liado de placa; es probable· mente el equipo a "aeío más sencillo y opera de forma discontinua. En una cámara se disponen placas huecas horizontales y paralelas, calentadas internamente por la circulación de agua calienle o Yapor de agua, sobre las que se extiende el alimento en capas umformes y delgadas. Es adecuado tanto para alimentos líquidos como sólidos. En el stCad~ro a vacío de cmtn !Ulfin los ahmentos liqUidas o papillas se aplican a una cinta transponadora continua de acero ino-..:idable (figura 11.32). Esta cinta, situada en el inlerior de una cámara de yacio, se desplaza sobre dos tambores: uno de calentamiento y ot ro de enfriamieato. El tambor caliente y Jos elementos calentadores radiantes, situados por encima y debajo de la cinta sinfin, aportan el calor necesario para la operación. El producto se enfría a su paso por el tambo r de enfriamiento, antes de ser separado de la cinta con una cuchilla. 1.3 principal aplicaci6n de estos equipos es IJ. deshidratación de alimentos muy sensibles al
296
rK"oIogia de lo, A/imetrlo,. (I) Comporle"leJ de 101 o/ime"lol y prOC"iCl
FII'l'!lfIS 1" calor ~nle
Tambor
Cinla sinfln
¡río
Reclplenle pilla el prOducUl
RodJIo V bandflll
a. I.IIlneJ"IUCH)'
F:GUV, 11 J2 S!~Qdero Q YC~¡c) de c;n~o \,nfin.
calor, como zumos de fruta, tomate concentrado y utractos de café. Los productos así tratados. en especial los líquidos, tlenc n una estruc · tura esponjosa porque se e.~panden al aplicar vado en [a cámara por [a [¡!>eración de gases y vapores. Esta eSlructura porosa favorece una rápida velocidad de sec.f.do y de posterior rehi dra lación Si se desea que el producto final se;). muy poroso se puede inyectar previamente ruIrógeno gaseoso: al aplicar vacío, el gas se e.lpande y sale rápidamente del producto, aumen· tanda su enponlosidad.
C) Dfin,dflJllJCIO'1 por opONe de enugio
l!iecrromagn¿nca
En los equipos descri tos anteriormente el Clla r radiante. procedente de sus superficies metálicas calienlO::!, part1C1pa en clena medida apor · tanda calor senSible y calor latente de evaporaCIón. 51n0:: mbargo, no o::s hab!tual emplear calor radiante como principal fuenle de calor. ESto se debe a que 5610 un cieno rango de longitudes de onda llenen una profundidad de penetración adecuada en el allmeoto. Además. es dilíct1 lograr un secado homogéneo cuando la superficie de los ahmentos no es regular o si sus componenles dlfien::n en cuanto a las caracterí.mcas de
absorción de caJor (capitulo 9). Sin embargo. en este caso el gudo de contacto del alimento con las supertíciO::$ no es un factor critico. En los suoderos infrarrojos continuos el alimenru es transportado en una cinta continua o un sororte ~ibratorio, que los hace pasar por una fuo::nle do:: mfrarrojos. Para alimentos sensibles II calor se emplean fuentes que emiten onda COrta, mientras que para los menos senSibles se uuliZ3n las de onda larga El secado de productos sóhdos, como rebanadas de pan, té, espe' Clas, almendras o pan. ~ su pnnclpal aphca..:ión Los ftcodtrOf mrCfoondaJ y dielümcos e mplean I'neegla electromagnéllca en un rango de fre cuencia dado (capitulo 9) lienen la VentJ.Ja de que eSI:! enerya es abso rbida seleCllllamen te por las porciones hum edas del allnlcnto, m¡cntns que las partes ya secas prácllcamente no se ca lienta n (capítulo 9) Es dec1r, el dete · nora l('mllCO del produclo es mi01mo 510 em· ba rgo, el gasto energétiCO que requ iere la eh· minac!rin de un:! ~ran cant idad de agua en este ti po de ~qUlpos es elevado. Por ello. se uullzan fundamenla lme nfe para fi nalizar y acelerar la deshidratación, cuando la velocidad de secado se reduce en los Sistemas convenC ionales. El calentamiento d!e léctri co se ha aplicado para secar gallefas y otros productos de nvados de cereales. mie ntras que el calentamlenlo con
Ccpjtvlo 11: COrU.f\<'O('iÓtl eJe olim
microondas se emph:a CJmercialmente con el secado de pas·as.
~xi·
10 para
D) DeshidrataciÓn por e ;aperación sl/bira (explosien puff dryin!;)
Este procedimiento s>! utiliza para. produc(o~ que han sido parcialmente deshidratados, gen.:· ralmenle con aire calierlte. hasta un contenido de humedad entre 15 y :·5%; ~s decir. hasta que la curva de secado comi~nza a pasar al pen'odo de velocidad reducida. A continuación. las pie· zas de alimento se intr.)ducen en una cámara donde se someten a un incremento de tempera· tura y presión. Estas cOtdiciones se desarrollan por calentamiento e.'<:erno con gas y/o interno con vapor sobrecalentaco. El incremento de la presión se regula con el .,bjetivo de ma.ntener el alimento a una temperatura inferior a la del punto de ebulliciln en ~ichas condiciones. La descompresión ¡nmediau de la cámara provoca que e! agua sobrecalentada del alimento se eva· pare súbitamente. De esta forma.. se produce una deshidratación instantanea en la que el pro· ducto se expande y adquiere una estructura muy porosa que fa.cilita su poslenor re hidratación. Las condiciones necesarias para una deshi· dratación súbita (increm~nto de la temperatura y presión y descompresIón rápida) tambi¿n pueden darse en la extrusión en caliente: con (os mismos relult3dos (CJpítulo 12). Este procedimIento de deshIdratación. em· pIc ado origmalmeme para la elaboración de ciertos cereales de d~)uno, es muy adecuado para la oblención de piezas de frutas y hortalizas (apios, patatas. zal1ahonas . cebollas. pI' mientos) con un baJO c:JnteOldo en humedad \ < 4~o ). ";mro¡cn tnd m llCaatl en el VToce~
297
nidos tlenen caracteristlcas simIlares a 10$ liofilizados, pero el coste de procesado es lOfenor.
/1.55.
!iOf¡J¡ZOciÓIl
La liofili:ación. tanlbien denominada ('no. dtih.drD{(ICIOn. es un tipo especial de dC!hKiratación por sublimación Q transformaciÓn directa del hielO de un alimento en vapor de agua. sm pasar por e! estado de agua líqUida Para que OCUrT3 esto. la temperalUl3 y [a presión parcial d~ vapor dc agua han de ser inieriores a las del puma !fip(~. e~ decir. 0,0099 oC y 6tO.5 Pa (figu. ra lIZO). SI en estas condiCIOnes se aporta el Calor latente de sublimación. unos 2.~ MJ kg- I, el hielo se transforma directamente en vapor, SIO llegar a fundirse. A diferencia de los ame· riores m~todos de deshidrataCIón, no existe un gran volumen de agua en eS(;ldo líquido y las modificaciones de los alimentos son mílllmas. Además, la liofilizaCIón requiere lan sólo un ca· tentlrruenco suave, por [o que bs car!lCteristICM nutntl\'as y sensoriales del producto final son muy ilmllares a las delalimenlQ fresco. Sin em· bargo. la velocidad de deshIdrataCIón el lenta y los costes de! eqUipo y de la opcra";ión (bajas temperaturas y vacio) son elevados. El paso previo a la liofilización C:) la conge jacióQ d~ las preduerQS Tiene por obJetIVO transformar las !oluciones acuosas de los ali· mentos en una mezcl¡,¡ de dos fases~ una con$titUldaGor cristales de hielo y ot53 por la solución concentrada de los solutos La congela· ción puede realizarse en un congelador aparte o en d mismo recinto de! liofilizador. El tipo y velOCIdad de congelación liene una yan repe r· cusión en la estructura final de! producto por'l.1 .. ;3 dil::nbución IX los poros en él depende del tamaño y localización de los cristales de hielo formados. las caracteristicas particulares de cada alimeoto determinarán qu~ condiciones son las mál adecuadas (capitulo 10). Para la liofihzac¡ón de líqUIdos. por ejemplo. se (,avorece la congelación lenta para que el tamaño de los cristalC! sea grande y se forme uoa red
298
Tecnolo:;ía d" IOI Alimental.
mCampone.~IeJ d~ b
cristalina; de esta forma la estructura porosa facilitará tanto el escape del vapor de agua durante la liofilizaci6n como su posterior rehidrataci6n. En algunos líquidos el movimiento del vapor de aglla es dificil porque al congelarse tienen lIna estruclUra vltrea, como los zumos de fruta con un elevado contenido de azúcares. En este tipo de productos es necesario formar canales por donde pueda escapar el vapor de agua, bien congelándolos en forma de espuma, mezclándolos con sólidos (pulpa en el caso de los zumos) o triturándolos tras su congelación. Durante el secado por liofilización se distin· guen dos etapas: a) Deshidrataci6n primaria. Tras congelar el alimento. la presión se reduce por debajo de 600 Pa y se suministra el calor latente de sublimación del hielo. Esta operación ha de regularse cuidadosamente, porque tiene que proporcionar la fuena conductora para la sublimación pero la temperatura ha de mantenerse por debajo del punto triple para evitar que el hielo se funda. En la figura 11.33 se muestra la curva típica de secado y la evolución de la temperatura durante la liofilización de un alimento. El calentamiento
olimenlOJ y proa!SOJ
se hace con placas calefactoras que tienen una temperatura inicial elevada (en algunos casos superior a 100 oC). Para alimentos 'muy sensibles al calor, las placas se mantienen a una temperatura más reducida (unos 20-30 oC), implicando esto un tiempo de procesado más largo. A medida que el hielo sublima, la temperatura de la superficie del alimento comienza a aumentar, pennaneciendo el interior congelado y frío . Es necesario disminuir progresivamente la temperatura de las placas, para evitar que la superficie seca del producto se queme. Las condiciones típicas que se emplean durante la liofilización son una temperatura superficial del producto de 35-80 oC como máximo y una presión en la cámara de 13-270 Pa; para productos muy sensibles al <:alor y cultivos microbianos, estas condiciones ron 20-3O'C y menos de 13 Pa. La velocidad de secado es lenta, aproximadamente 1,5 kg de agua m-! h-I , lo cual corresponde a un avance del frente de sublimación de 0,2-0,3 cm h-I. En esta etapa, que puede durar de 6 a 10 horas, tiene lugar la sublimación de! hielo del alimento, es decir, hasta reducir aproximadamente su contenido de agua a un 15% sobre el peso húmedo inicial. El vapor de agua ha de eliminarse a me-
T.mperatura
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FIGURA t I .J J . Curvo de secado y ev~uciól1 de lo lemperohJro de 101 pkJC:O$ de colentomienlo y ¿el produc:to duronle lo liofiliwción.
dub que se genera para mantener la preSIón de vapor en elliofiliz.ador por debajo de la presión de vapor en 'la superficie del hielo. La velocidJd de la (iofiÜ18ctón en esta etapa dep~nde de la reSiStencia del alimento a la transferencia de calor hacia el frente de sublimación y de masa o vapor desde el rrusmo hacia la cámara,
b) Deshidra¡ación secundaria o d~so,ción. Una vez: ehmmado todo el hielo del alimento, és,e todavía retiene una ciena cantidad de agua líquida Para obtener un producto eSlabl~, el contenido de humedad debe reducirse a un 2-8"~, correspondiente al agua fuertemente ligada, por evaporación o desorción. Esto puede conseguirse si el alimento parcialmente seco perr.lanece en elliofiliz:ador 'f se calienta hasta que su temperatura iguale la de la placa (20-60 ·C), manten Iendo el vado. Así tiene tugar la evaporación de gran parte del agua celidual en 2-6 horas. Otra pOSIbilidad, dado el elevado coste de la lIofilización, es finalizar el secado con otro mttodo . Al terminar el secado, y anles de sacar los produc tos de la cámara , se introduce un gas inerte (Oltrógeno) para romper el vacío, ya q'Je si entrase aire en la cámara los productos absorb-!rian humedad IOmed iatamente,
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FIGURA 11 J4. TralUm;lion de calor ,,, lo liafili:o:,On. 010 troves de lo cope ~o; bl a I,avis de lo :(1.00 conge,oóc; y el generación interno del color p
A) Transferencia de tnerg((1 y de. masa
En [a liofilizaCIón también ha)' una transferencia SImultánea de calor y de masa . El calor latente de sublimación puede aportarse al frente de sublimaCión por conducción o rad Iación, a tra vés de la capa congelada o de la capa seca, o por generac ión llltema $1 se emplean microondas (figura 11.34). Cuando el calor se transfiere por conducción a través de la capa congelada del alimento (figura 1l.34.b), la velocidad de su transferencia depende del espesor del alimento y de la con· ductividad térmica dI:: la capa de hielo. A pesar de que el hielo es un condllctor de calor relativame:lte bueno, el calor necesario pata la 5ubli-
mac ión es tan eievado y el gradiente de temperatura tan estrecho que, para que la velocidad de deshidratación sea aceptable, es necesario que el producto tenga poco espesor. A medida que progresa la liofihución se favorece la transferencia de calor, puesto que el espesor de la capa congelada se reduce progresivamente_ En cambio, la transferencia de vapor de agua a tra\'és de la capa seca el cada vez: más dIfícil ya que, al avanur el freOle de sub¡imac'ió n~ el espesor de esta capa aumenta, siendo ~sle el fac tor !rmitante de la velocidad de secado. Si el calor se transfiere a través de la capa seca del alimento (figura 11.34 a), eSIa {(ansfereo-
300
Tecnología de lal Alimen/as.
mComponen/el da /eH a/"men/os y ptcceJ.OJ
.;la dep<:nd~ del espesor y dci ;irea superficial del alimento, as( como de la conductividad térmica de la capa seca que se forma al ,ublimarse el hielo. El {actor limitante de la velocidad de secado es, entonces, la transferencia de caJor. La conductividad ténnie.:! de la capa seca es tan baja que so: comporta como los materiales aislan· tes. Por .:110, al progresar la liofilizaci6n y retro· ceder c:l frente de sublimaci6n, la resistencia a la transfer(!ncia de calor aumenta noubJemente También en esta situaCl6n interesa que el espe' sor del alimento sea 10 más redUCIdo posible Cuan::'o se emplean microondas, en cambio. el calor ~e genera en el interior del alimento congelado; por ello, el espesor de la capa seca no es tan cntico 'f c:l secado es mucho más rápIdo (figJta 1l.}4.c). El principal problema deriva de que d factor de pérdida del hido es mucho más bajo que el del agua. Además, a temperaturas Inferiores a O ·C, este {actor dis(Tlin"'-ye con el descenso térmico (capItulo 9) ~n consecuencia, hay un grave riesgo de que el calentamiento no sea homogeneo, ya que las zonas en las que e:cista una fusión localizada o tengan mayor temperatura se calentarán ~ás rápidamence . Otras desventa/as de las microondas son un mayor gasto energ¿nco, los pro· blemas de descarga de arco derivados de la ionizaCión de los gases presentes en la cámara y cambio, Indeseables en los "timentos. Lils mIcroondas normalmente se combina n con una fuente de calor convencional (superficies cilhentes). con 10 que el tiempo tolal de secado se red uce en un 33-50%. La transferencia del vapor de agua generado en el frenle de sublimación a la superficie del alimento siempre liene lugar a través de la capa s.:ca del producto (figura t1.34). Depende del espesC'r' y área de expOSIción de la porción seca, así como de su permeabilidad 'J de la dife· rencia de presIones parciales de vapor del agua eotre la superficie de la capa seca yel frente de congelnción. En general, la permeabilidad y la conductividad térmIca del produclO van'an inversamente : los productos compactos tienen una conductividad ¡~nn!l:a elevada, pero su es·
IrUc,ura diti.:u!ta la d ifusión del vapo r, mientras que en los porosos ocurrirá al contrano. La fuerza conductora de la transmisión de masa. o gradiente de presión parcial de vapor de agua. depende a su vez de la presión que exista en [a cámara de liofi lización y de la temperatura del condensador del vapor de agua, que han de ser lan reducidas como sea poSIble, así como de la lemperalUra del hielo en el frente de sublimación, que interesa que sea elevada. Las condiciones de operación más habituales son una presión en la cámara de 13 Pa y una temperatura en el condensador de -35 oc. En teoría la temperatura del hielo en el fren° te de sublimación debena mantenerse justo por debajo del punto de fuSIón eut~ctJco, que puede ser de al menos unos 10 'C por debajo del punto de fusión del hielo. Pero en la práctica no debe superar un delenninado valor critico. Cuando la liofilización se hace a temperaturas muy bajas. la elevada viscosidad de la fas~ acuosa concentrada del a1imenlo congelado impide que se produzcan cambios estructurales. La estructura final del producto es mnilar a la imcial, con poros en aquellos puntos donde antes se encono traban los cristales de hielo; estos poros están rodeados por una malnz seca formada por componentes insolubles y por componentes precipitados que, inicialmente, estaban di$ue[to5. Si la operación se rea liza a una temperalUra mayor (por encima de la (empera/ura clÍrica de: colapso. caraeteristica d~ cada producto), la Vlsco$idad de esta fase acuoso/concentrada dism inuye y ti~ne la movilidad suficiente para flul!. En .este caso, desaparece la separación de los solutos tí· pica de! produclo congelado (colapso estructural) y la transferencia de vapor es muy dificil. La velocidad de la transferencia del vapor a través de la capa seca del producto puede ex· presarseAe [a sigUIente forma. d ..../dr '" -A b (P.. - P.,)Ix.
(11.20)
donde dw/dl es la velocidad de flujo másico del vapor a tra"'¿s de la capa seca, A e! área de la superficie efectiva de sublimación, b la pennca-
Copilulo 11: COiuervocion de olimentoJ OoJOdo en /o mod¡!¡:ocion del pH, olmoJfera '1...
bilidad de la capa seca, p .. la preSIón de vapor del hielo en el frente de sublimación, P., la pre· sión parcial de vapor de agua en la superficie de la capa seca y x el espesor de la capa seca. En el supuesto de que el calor se transfiera al hielo sólo a trav~s de la capa seca, la veloCl' dad de transferencia de calor al frence de subl1· maeión viene dada por la siguiente ecuación: dQ/dt
=:'::d
A
(e, - eyx
(11.2 1)
en la que dQ/dt ~s la ~'e locidad de transferencia de calor, kd la conductividad térmica de la capa seca. 9, la temperatura de la capa seca del producto y 9; la temperatura del hielo en el fren to: de sublimación. En condiciones de estado estacionario existe un equilibrio entre la velocidad de transfe · rencia de calor y la velocidad de transferencIa de masa: k~ A (8,- 8)1.t = -A,A b (P" - P.,)/.t
JO 1
t,oz p, (W.- wJ .:!n(P.. -p.. )r= A, P.., (W. - W,) ~1n. kd ( j,- 9/) G
(11.25) Cuando 1<_ sublimación se produce por amo bas caras, x es lá milad del espesor de la pieza. De estas eXf resiones se deduce que la duración de la suulimación es proporcional, entre airas variables, al cuadrado del espesor del producto fu deCIr, interesa que las capas de producto sea; delgadas, ya que 0:1 tiempo total de secado se multiplicará por cuatro al dupti· carH~ el espesor. La lio:i!iZ:lción tambi6n se puede realizar a presión atmosférica, sin aplicar vacío. En este caso, es similar a un proceso por arrastre por· que ha y ql.e .:mplear una comente de aire frío y seco o de nitrógeno o he1Lo deshidratados con un desecí!.n!e para que su presión parctal de agua sea Ulferior a la presión de vapor en el frente ~ liofilización.
(ll.22) donde A, es el calor latente de sublimación a la tem peratura 9,. La velocidad de sublimación en un sólido de forma plana, que se liofiliza a partir de una o ambas caras, y en el que el frente de sublima· ción retrocede segun un plano uniforme, tamo bIen puede expresar.;e en función de la cantl · dad de agua eliminada de la capa de producco' dw/dl = -AP .. (W. - W,) d.xidt (11.23) donde P", es la deosldad del sólido desecado, W. el comerudo mlcla! de humedad del producto en base a su peso so:co y W¡ el conterudo en humedad de la capa seca en base a su peso seco. Combinando las ecuaciono:s anteriores ob· tenemos que: dw/dl = -A. kd (8, - 9,)1 A,:C =: A b (POI - p.,)lx = A P,... (W. - W)dtfdl
(11 24) El (lempO total de secado (t,) puede calcu· lars,e IIltegrando esta ecuación:
B) EqUipos
y aplicacion~
Los l¡~ores constan de los siguientes elemeñ'ios báSICOS: una timara de vacío donde se introduce el alimento, una fuente de calor, un condensador y una bomba de vacío (figura llJ5). El modo de operación puede su en lotes o o:n conlir.uo. las cámaras de vacío. robustas para ~. !ar ~a diferenCIa de ~~nes, s,uden tener bj-n· dejaSrrref.lf!E:rsáondo: se dispone el alimt,.nco que se va a tra-ta¡'- ypueden ser rectangulares o cilÚlcLricas: m¡entras que en las rectangula!es el espacig .i~~. l-provecba mCior, lis5ilin. dricas son m~ resistentes a [~prcsión. '!':!q'_dive:r.s ::.? X de 1'-:l(;1izadores según el modo~n que Se~orta ti- calor (figura- Ü .36). Ea los liofiliudores de contacto, que apoF1an el calor por conducción, 131$ bandejas están sobre placas huecas calentadas por [a circulación interna de agua caliente o por resistencias e1éc· tricas incorporadas. Si el producto se con~elll en la misma cámara. se hace CIrcular refrige·
, F~
11.35
Pnncipol~!U COmpOmlnlel
de un l,ofili:odOl
fante por el interior de las"placas. La velocidad de secado en estos equipos es lenta porque c:I calor se suministra s610 por una superficie del alimento. aunque tienen una gran capacidad de
producción. En los I!ofifilodorts actltrodos el alimento se silua entre dos placas metálicas a
las que están adosadas otras placas de metal upandido, que ejercen una ligera presión. En comparación con otros equipos. la deshidratación es más rápida porque la transmisión de ca· lor es más uniforme y la salida del vapor de agua 00 encuentra obstáculos. Otros liofilizado res calientan el produclo por radiación mediante elementos dispuestos por encima y debajo de las bandejas. A diferencia de los anteriores, no es lan critICO un buen contacto del alimento con las bandejas. Es muy frecuente combinar el calentamiento por conducción por COI\(acto dIrecto (en la su· perficie inferior del producto ) y por radiación (por la parte superior). En otros liofiltzadores se combina el calentamiento por contacto di· recto y por microondas. La gran cantidad de vapor de agua producida durante la operación, que tiene a bajas presio· nes un volumen específico muy elevado ( 1 g de hielo equivale a 2 ml de vapor de agua a 67 Palo se elimina mediante un condensador refrigera-
sublimación: vapor de agua se condensa sobre la superficie fria del condensador (serpentín o placas), por cuyo Interior circula un refngerante. L!..bE.!'Db.Ld~..!!c'o elimina los g~ses noSQ..nden~a~es r..=!. vapor_de.,!St¡a resi9ual. Es muy importante que la bomba de vacío tenga capacidad suficiente para evacuar rápidamente la cámara al principio de la operación, para evitar la fusi6n del hielo. El gasto energl!:tico de la refrigeración del condensador supone alrededor de un tercio del total. La eficiencia energl!:t ica mejo ra si se acopian sistemas de desescarchado al condensador, para que la acumulación de hielo en I!:l sea mínima. Los condeJl!.ado~es 2~~el mternos o e¡¡~~s.~n_~ro d~mar.a...Q.el Ilofili.u.d.Q!: en este caso._!;l vapor de agua recorre un espado mUY-ff1.!19. Los ex~rnos se d!!eonen en un recinto sep!rado d!.l!. cámara 22!-una váhula.JLc..Q!J)puerta Aunque el recorrido del vapor de ~&!:@ ~una y~supo~a ~e1!lli!..Porque permiten el funcionamie nto en continuQ dc"LeqUipo; al aco-
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CopítuJo //; Conservoción de o/imel'llos basada en la modificoc"Sn del pH, atmósfera y...
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Placa calefaClara FiGU~A 11.36. TiPOI de Iiafilizcdo~es según el opor· te de calor: o) por eandueeiÓll a través de uno bon· deio eom.oarrimemodo; b) o trovél de uno molla metálico eJ(pondido piafilizodores acelerados); y el por radiación. Fuerte: Fellowl (19951 .
pIar dos g¡nden~adores a la c~mara, uno de dios funciona mientras el otro se des!scarcha. En e! liofilizador continuo que se mueSlfa en la figura 11.37, las bandejas con producto se colocan en carros que entran y salen de la cá· mara de vacío mediante compuertas de seguridad. Las bandejas circulan entre placas caJefaetoras, ajustándose la temperatura de dichas placas y el tiempo de permanencia del producto en la cámara de acuerdo con el tipo '1 volumen de alimento que se va a tratar. Hay otroS diseños en los que los productos particulados
303
no se colocan en bandejas, sino que se mueven en el liofilizador mediante cimas sinfín, lechos nuidizados. por atomización, etc. 4 calidad y vida úti!Jk.lc:s pmductQ$ Ha· filizados~~celente Q.O! .múltiples razones. ha _ te~~~ alcanza d ~~to es moderada. PQ.r.lQ. que las reac::iones químicas'y enzimaticas so~ y la~ ~te~s. ti~..!!..u.!..r:!.¡j\·as Ysensoriales ~~~ifi ~s . La eliminaci~n del vapor de2gua ~ . muy se!ectiva y Tos componentcuápidosrarom~ti~os no son.-!!!astr.!..dQLQ9I.1t-enet pro· ducto seco permanece hasta el 80-100% de es, tos ¿ompcrnentffLomOla deshiÓra'taciÓ-;;se haceen estidosólido, q2....hll_m~i.!:ni~Jl~ de líquidos ylo 50!UJ9S, contracción d_el sólido o el!fLurecimiento superficial; e! pr09%'tQ...Mal c~. lo!.~_e,,~ original y estructura rosa fa . ita notablement 5~hidratación. Al tratarse de pr uctounuY hj~p'icos , frági1,eS y señsibles a ia ~i:l.! ciliQ.. es fundamenta! un envasado adecuado. ~a vi~Ifi'i¡ 3e t~.!..oductos ¡¡onllzados ~de Ikgar a de un año a temperatu~~~te . A pesar de ello. la lio filización Jan sólo$' ne una aplicación limitada enTaindustria agro· alimentaria. Esto se debe a que el coste de! eQUJR9 Ld~peración es muy elevado. El fria para la congelación del producto y la canden· sación del vapor de agua. junto con el mantenimiento del \acío, suponen un gasto considerable. Además, la operación es bastante lenta: un liofilizador de 15 ml solo subhma de 50 60 kg d~ ag~ h?!'3.~~o coste sólo se puede aceptar en rnatenas primas de gran va· lor cQ.!l1.ercial o muy sensiblés al calor. siendo e~ia!mente a{j~"cuadopm algunos alimen· tOS particulados. E~los productos 9Jl..e se conservan por liofiliuciÓñ desycan: ca~ en QQ.l.vo, ~~--:ca-me. pesc"aA9.. hjsIb.j1.5 _ar..omá· t~a~, illgunasJr.u.tas y hQrtalizas (fresas, frambuesas, etc.) y ciertas setas. También se procesan de esta forma dietas o raciones completas, en las que se pueden incluir platos precocinados, para uso militar. expediciones o viajes espaciales. Asimismo, la liofilización es uno de los
ser
a
304
recnologío de los Alimenlos.
mCampanfffl"
de 101 alimental r procesos
rIGultA 11.37. D.agrama .squemorico de un liohl, zodl)(
d. bondeiol
de funcionom,ef'llo conlinuo.
métodos preferidos para la c.:)rl$Crvación de los cultivos imciadores Para r~dudr el coste de la liofilización en ocasIones se re curre a [a preconceñ'fF'iCí'6ñde
Iq~roJlucr9.s.· ~1í!.ñ.dimsr~1 en---es~ caso~ e.Lt ~~nto d~ precon~ción aplicado
seUU3ye 1. ~ a Itere las Qract.~tístisa5· oñgina· les del alimento. J;&...nver así, la cali~(Ldd P~UC!o final ~¡ ~!eY!Qg-,a~ de [a !iO r. [íz~ión. El cafe o los zumos d~ frutas, por ejemplo, svno,;:oncentral! hasta un 38% (p/p) de sólidos antes de scr liofilizados.
11 5.6. De,hidrClcciim osmótIca Este tipo de deshIdratación implica la 10merslón de productos con un alto contenido de agua en solucionc:s azucaradas o salinas concen· tradas, existiendo una transferencia simultánea de masa en contracornente entre el producto y la solución: una gran proporción de agua del producto pasa a la solución, pero al ItllSmo tiempo hay una transferencia de solulo$ de !;,¡¡ solución al producto. El requerimiento energé· tlCO es mucho menor que en todos los métod03 anteriores, puesto que no requiere un cambio de estado del agua. Además. al mismo tiempo
que se deshldrala el producto, éste se puede impregnar con suS[an~,as de ime res (conservames, supkmentos nutntivos, mejoradores de propIedades scnsoriales, etc.). El empleo de soluciones muy concenlradas (SO-75 g de sol uta por 100 g de solución) permite eliminar hasta 4()-70 s: de agua por 100 g de producto mielal, con una minima incorporación de solutos (5-25 g de soluto por 100 g de producto inicial). en un tiempo relat1vamente certo; en pomones de frutas de 1-2 cm J, a 30-50"C y presió n atmosférica, la mayor parte de la transferencia de agua se pro· duce en las pnmeras 2 horas. Las pérdidas de solutos propios del allmento (azúcares, ácidos orgin;c05, :!'iner:lles, vitun..inas, et.:.) son cuan· titauvamente menos importantes que las transferencias anteriormente indicadas, aunque modifican la COmpOSICIón final del prodUCto. Uno de los problemas potenciales que plantea este tipo de deshidratac1ón es la gran canlidad de fluido residual que debe eliminarse al término de la operación. Entre las posibles soluciones se ha sugenddsu reciclado o bien su posterior Ulilización en la elaborac1ón de Olros productos, como zumos, O como agentes saborizantes y aromat1zan!es. La deshidratación osmótica se ha aplicado a (rutas y hortalizas y, más reciente· memo:, a carne. pescado y geles.
Copívio 1/: CotUMVOCiOn d. alimento, baJoda '/'1 /o modlficoóón d" pH, o'moJfltro y...
i í .5.7. Conse 'voción de {os olime/'lios deshioralados Los productos deshidratados no son est~ri les. La reducc:ón del nume ro de microorganis· mas como resdtado de las operaciones de deshidratación es baja. La inactivación de enlimas sólo es parcial. El efecto de la desorción del agua en la supero'ivencia de los microorgamsmas y en la ac ,"idad enllmátlca es variable. S~ ha podido cor-:probar que algunos microorganismos y ciertlS enzimas son más termorresis· temes en el ml:dlo deshidraudo que en el húmedo. Por estas razones, normalmente se efcc· túa con anteriJridad un tratamiento termico (escaldado, paiterizaci6n o esterilización). La humedad final de un producto deshidra· tado suele enc.:.mrarse eDtte un 1 y 5%.10 que permite su co uervación durante periodos de tiempo relativhmente largos (hasta un ai\o). Sin embargo, durante su almacenamiento pueden surgir d¡stinl3~ C3U$as de alteración que gene· ralmente pu~cen evttarse con un envase adc· cuado y una correcta manipulación. El crecImiento de algunos microorganismos sólo es po· sible despues d~ una rehidratación parcial. Para impedirlo, y daCa la hiyoscopicidad de los alimentos deshidratados, es necesario utilizar materiales de enl'ase imper:neables al vapor de agua o realizar el almaceoamierlto en condicIones higrométricas apropiadas, En granos de ce· reaks y harina! conservados en silos, un Iraspa· $0 de numl:.:2ad ¡)uede favorecer la proliferaclóo de mohos. Estos accidentes se evitan empleando locales térmicamente aislados. Las re..a.ccil)nes cnzlmáticas, el pardeamIento no erunnáticC', diversos procesos d.e hidrólisis} aIras reacciones de deterioro se prodc..c.er: lo ,'.:.!o~j ..é!gjfjcantes sie¡7' pre que el envase y las condiciones de alma· cenamiento permitan mantener la Qwen los valores conseguidos al final de la deshidratación y que [a tempe ratura de conservación sea inferior a 12 ~c. Los alimentos deshidratados porosos son muy seOSlbles a las reacciones de oxidación (de
305
lfpidvi. pigme;¡tos, v;.aminas 'i sustancia:;. aromil.ucas), lo que limita su conservaci6n. Por ello, se aconseja el envasado a vacÍo o en ato m6sferas inertes (N), así como utilizar matenales impermeables al oxigeno y opacos. Par otra parl~, los alimentos deshidratados ron frágiles y quebradizos (espeCialmente los obtenidos por liofilización) por lo que deben proteo gerse de los danos mecánicos,
// .58, RecoMliltx;ión de los o/imenlos deJhldralado$
La apurud de los alimentos deshidratados para la rehidralación o reconstitución es un indicativo d~ 5U capacidad para captar y absorber el agua y adquirir un estado próximo a[ del productO original. La rehidralaci6n es, a veces. difiCil y puede faCIlitarse con el empleo de agua caliente o ligeramente salada o adicionando • agentes humectantes que rebajen la tensi6n superficial. Esta operacIón está condicionada por múltiples faclores, En los productos deshidratados íntegros O Cragmentados en porciones, la rehidralación d
suelen rerudralarse con facilidad debido a su estructura porosa. b) El grado de alteración experimentado durarHe el secado por los componenle~ del alimento que relienen agua (pro{eínas y almldon.:s sobre todo), EsIO hace que la reconstirución de muchos productos dependa de la velocidad inicial de .deshldra!a!;1Ól'_ El posilile daño térmico durante la desecaCIón, o el causado por una inadecuada congelación en el caso de la liofilización, puede ocasiona:r una reducción de la capacidad d~ retención de agua; tras 5U reconstltuci6n el producto presentará UQ aspecto y textura deficientes.
306
I'.enoklgia de 10l Alimer1lOS
mComponentes de b
En los productos desecados en polvo la te· constitución depende de di3lintas propiedades, entre las que se encuentran: a.) Humectabllidad o capacidad de las par·
t(Culas de polvo para adsorber agua en su superficie, iniciandose así su rehidratación. Esta propiedad depende en gran parte de! tamaño de las partículas (capí\Ulo 12). Cuando éstas son pequeñas y ofrecen una gran relación área/masa, no se humedecen individualmente sino que (orman aglomerados con una capa hu· medecida superficial comun que se opo· ne a la difusión del agua haCia el inte· rior. La composición d~ las pan¡culas, y sobre todo la naturaleza de su superfi cie, también condiciona la humectablhdad. De esta forma, la presencia de grasa libre en la superficie reduce conside· rablemente esta propiedad y, a veces, es necesario adicionar agentes con act ¡vidad de superficie como, por ejemplo, le · CHínas. b) Sumergibilidad o capacidad de ¡as partículas para hundirse rápidamente en el agua. Depende principalmente del tamaño y de la densidad de las partfculas. Cuando son grandes y densas se sumergen con mayor rapidez. Las panículas que contienen mucho aire atrapado pue · den ser relativamente grandes y sin embargo pueden presentar escasa sumergl' bllidad debido a su baja densidad e) Dlspersabílidad o faclhdad con la que las particulas de polvo se distribuyen como entidades individuales en la superficie y en el seno del agua de reconstItución Esta propiedad aumenta cuando la sumergibilidad es elevada y se opone a la forma ción de grúmos. d) Solubilidad, se refiere a la velocidad y al grado con el que los componentes de [as parl(culas de polvo se disuelven en el agua Depende prinCIpalmente de la composición química del produclo y de
olime"lOl y pt'IY.elQJ
sus características fisicas (cristalización, sobre lodo). Para que un producto deshidratado en polvo pueda calificaiSe como iltSla!tláltto se requiere un correcte equilibrio entre las características mencionadas. Para mejorar Ja re hidratación de los productos puede rec urrrrse a distintos procediffilenlOS:
a) Ajuste de las condiCiones de desecación
para conseguir panículas con un tamaño y una densidad másica más adecuados para la rehidratación. En algunas ocasio· [les se recurre a la introducción de etapas adicionales en el proceso, como por ejemplo la recristahzación en la deshldrataci..in del suero por atomización. b) Reciclado de partículas finas que normalmente se producen en los secaderos atomizadores. En estos casos, las particulas desecadas que salen de la cámara son enfriadas sobre un enfriador vibratorio de lecho fluldizado . Aquéllas de me· nor tamaño son recicladas, junto con las arrastradas por el aire de salida de la cámara de desecación. e) Instantaneiución . En este caso, el producto sale de la cámara de desecación con un contenido de humedad relativamente alto (del orden dd 6 al 8% sobre la base del peso hümedo). En este estado, las parliculas son termopláslicas y presentan superficies adherentes y al cuntactar forman aglomerados (con un diámetro de 300 a 400 j.lm). Es tos aglomerados finalmen te son desecados y enfriados en una unidad de lecho fluidiza· do (capítulo 12). d) Rehumidificación. Es el método más efi· caz y más utilizado para facilita r la re· constituCIón de Jos alimentos deshidrata dos en polvo. El producto de esta naturaleza oblenrao por atomización en una planta conve ncional se pone en contacto
Ccpi,v/o " , CortJ.,...."dón de -::/imftnlOs I:xnodo .n lo modi(¡cocióo del pH, otrn6J;'ro y... con vapor o con aire húmedo caliente A continuación se favorece el contacto en· Ire las paniculas humedecidas para que se formen aglomerados. tratando el pro· dUelo en una cámara cónica. [;.os agIo· merados formados se desecan ,:n una cá· mara y se enfrian a continuación en un lecho fluidizado vibratorio OltOS proce· dimientos de aglomeración (capItulo 12) se basan en poner en contaclO el allmen· to deshidratado en polvo con una fina lluVIa (producida por una boquilla oebu· lizadora dc chorro o con una rueda ato· mizadora) de agua o de una solución de uno o de todos 105 componentes del pro· dueto deshidratado
La aglomeración incrementa la clntidad de aire retenido entre las paniculas. Durante la reconstitución este aire es rápidamente reem· plazado por agua produci~ndose una rápida humidificación y dispersión de las particulas. Por otra pafle, la r,humidificación parcial se' guida de secado provoca la formación de eris·
307
tales solubles de lacIOsa y de otros azücares, evitando las formas amorfas vítreas.
Bibliografía
AlFA·LAVAL. EQUIPO rtCNICO (1990): Ma. nuel de ",dusrruu lecteDf. 2' ed. AMV, Mundi· prenn. Madrid. BRENNAN. J G.; BUTTERS. J. R.. COWELL N O Y LlLLY. A E. V. (1980): Les OperaCIOnes dt /e If!. ,tnlerÜl ck 101 alimutros. 2.' ed. Acribia. ZaraJou CHEFTEL.1. C.; CHEFTEL, H. y BESAN<;ON, P. (1989) : ¡'llfodlluiOn a la bt(}qllimrca J Ttcno{o· 'Ül de los AllmeMos, vol. 11 . Aeribll. ZarlJoza. EARLE, R. L (t987): Ingenttrí() tU los a/imenros. Acnbia. Zausou. FELLOWS. P (199":); Tecnologia del prowado de los alimentOs, PrutelPIOI ,v prtkticas. Acribla. Za· ragon. " KAREL, M .: FENNEMA. O. R. y LUNO. O. B. (1975): PnnClp/l.S of food scitnct. Pafl 11. Physi· elll principiel of fO
RESUMEN 1. lo ac¡d¡r.cociórl el un metodo qve le ha utilizodo desde hempol lemotol POlO ampliar lo vida vhl de mu~nOI oliMen'01 y .e llevo o cabo d. formo blolbgico. 01 f.rmeruOI 101 OZVcOIe1 de lo mOlerio pr no (poi" e jemplo. leche. ferm.ntadol) o mediorlre \o odicibn de oc,dcs deb.I'1 (por ejemplo. eKobeches) . El boja pH el. o vecu, el fector Fundomentol (YOS\lr) o vnico (vlOogr.' de lo estobolidod del ellmento o~idifi.:odo, pero OlrOI vec" su efecto se comb.no con OIros agentes, ~omo refrigeración (yogur), trotomier.to ler· mico (algunos elcob.ches enlatados) o bajo a. ¡embutidol r quelOs). 2 los pref. renciol de 101 consumidor.s hue io cli· mental con unO oporiencia notura/. fres~os O Minimomente procel0dos ha n impulsado el d.· lorrollo de rOl o/mos/eras con/roladol (.1 oli·
m.nlo se monhene en uno mezclo de gOlel aelermIDOco que permane~1 COMlonte ¿vror.)1 el ol,...ocencm,e"to) y modif,cado! lel alimento le envaso 1'1 uno d.terminada mu:do de gOlel que puede sufrir modi/icoeiones durante el almocenom.ento). El envOJodo o vocio (e'\lo, cuo~iórl del aire del enVOla sin IUltituc,ón por otro gOl) le eOfllid.ro como un tipo de olmol' fero modificado. lo modilieoción de la atmÓs/.. ro SI! utilizo lonto poro omplior lo vida úlil de alimento~ de origen vegetal (dutinodo, lobte todo, o inhibir Io~ fenómenos de .n'\lejaeimi ...... lo POlt.recolecc ionl COlTlO animal I.n combinoció" con lo refrigerocion pala inhibir kl- mlcrobiolo olleronle] .
J lo o~ de 101 alimentos /relCOI y procelodol el uno de lo, porómelros que determino w CO/cuer
JOB
rec:nologío de
101
Alimen/os,
rJ CompO
oerKedero o estable Con clr~slo O !!I" 'C';' 0,98 ¡lo mayor parle de 101 01,. menlQS ¡reoco.1 en lo. Gue lo moycl/'o de los mjcrOOlgon'lmos pueden ~Iec er ropodoneOle o temperoluro amb ien te, bl Q . 0,98-0,93 (Ie~he ~onclln rradc , comes c¡¡rodos, queJos lreKos, pon, II!C,) que inh,be d creciM,ento de 101 boderie l Gran negol;'v01 dejando pOlO 101 Gro'Tl posih ~OI , ~} 0 .. 0,93..0,85 (quesos modurodos. lec)'e condemc:do, et~1 que permite el creci· mienlo d e cocos Grom polillYOI, mohos y levo· duros, di o,. 0,85-0,60 ¡alinentol d" "'u,""dod intermedial, segurOI desde el punto de ~IIIQ lani· terío Clunque puedan ~recer Cllgunol mohol, y e¡ a w < 0,60 (dukes ¿iverlOs, leche en palvo, paro. lOS !rilaS, er~ .) en 10 1 que no crece ningun microorgol'lismo,
°
lo evcporoc;iÓfl consi~e en lo eiimino~ion de oguo de los o!¡mel'llos liquidas por "bullicion para ~on~en lror los sOlidol IQ roles y reducir osi lo o~ No obllc: nle, puede 10m bien realizarse COI'I airaS hl'ies, cono lo COI'i~lI!I'ItrceiOo de liquidas previo O lo opli~a~,on de airas operociones (de1hidrotecion, 0:0n5eloe'On, eslerilizadónl y reduc· ci6n del pelo y vol um. ñ. En lo evcporooón le utilizo, c:)mo Ruido calefoc."or, vopor de oguo saturado (vopor pnmeriol que UI conderllQ clldi.ndo su ~olor Iotem. 01 producto que le evopoto.lo operación riene l\Jgor en ~vaporodor~1 dotod(H de combiodores da color. lo Yelocidad de evcpo
ide!':'::r o! 3~. le. o~I'~;Y().j, d~ es:C operOCKlfI Ion oum'M~or lo Yldo util de l o~ o!im~,,'os, r..d", cir el pelo y el volumen, facil ilor el empleo y diyerSlflcor lo ofe'la de flIodu~los 6. lo ¡'oMi¡:acI Ól'l. tomb,en d"nominad.; criad"IÍI,. drotodÓl'l, es un "po elpecio! de d.shidroloclcn por lublimooOo Poro lograrlo. se :ong.lo ,1 producto, le coloca o uno temperaturu y presión porciol de vapor de Clgu
9 . lo deJh¡drotcciÓl'l o,mólic;:; imp lico la iMle's,ón de predIJClos con un 0110 conlel'lldo de "guo en ¡al udanes ozucarodos o lCliflos corrce.,lrodOI, e;r."tlendo uno tronslerencie "multó,1eo de maso en contrecorrienle entre el prodU~IO y lo disolución
12 OPERACIONES DE TRANSFORMACIÓN
En este capítulo se dcsarrollan las princip~lu operaciones de Ir,¡nsque le aplian en I,¡ induuriol arimenlillf;OI. üle S,upo induye una gr,¡n nnlidad de operaciones de naturOllleu muy diverSO!: reducción y aumento de lam,¡ño, rntZdil, moldudo. modificación de luhlra, txt rusión, opendones de ~rilción r Ir¡¡nsiormacjl)fln quimius. Pua cad. una de ellas se describen sus fundamentos, ti equipq tmpludo r r,n ¡ptinciones mjs ~bi 'u
',1
310
T.cnohgío de IoJ Aii~nIOJ.
mComponen/u de /al o/irrMIn/oJ y proceJOl
12.1. Introduccion La! operaciones de conservación, tratadas en los anteriores capítulos, tienen como principal objetivo reducir o evitar la alteración de los alimentos, aunque ello suponga casi siempre una cierta modificación de la materia prima. Las operaciones de transformación que se tratarán en este capítulo persiguen, a diferencia de las anteriores, modificar la materia prima alimentaria para obtener ingredientes o alimentos con nuevas y/o mejores características funcionales, sensoriales o nutritivas. Si bien es cierto que esta división no es estricta, ya que existen algunas operaciones que cumplen ambos objetivos al mismo tiempo. corno por ejemplo la extrusión en caliente. En la actualidad, las operaciones de transformación tienen una gran importancia, sobre todo en las sociedades de.~arrolladas porque permiten aumentar la variedad y la calidad de los alimentos disponibles, contribuyendo a la diversificación de la dieta. Algunas de estas operaciones pueden contribuir, además, al aprovechamiento de materias primas alimentarias, hasta ahora infrautilizadas, para ayudar a paliar el problema de la escasez de alimentos en los países en vías de desarrollo. En esta categoría de operaciones se incluye una gran variedad de transformaciones. Algunas son relativamente simples y, en ocasiones, se trata de operaciones preliminares a otras de conservaciÓn o transformación, como por ejemplo la reducción de tamaño previa a un tratamiento térmico o a una extracción. Otras, como la extrusión, son tan complejas que constituyen un proceso en sí mismas. Es dificil hacer generalizaciones que sean válidas para este vasto conjunto de operaciones, porque cada una tiene sus peculiaridades. Sin embargo, la mayorf.a no modifican el valor nutritivo de la materia prima alimentaria, puesto que se trata de operaciones que se realizan a temperatura ambiente. Tampoco cambian notablemente la vida útil de 105 alimentos. aunque en algunos casos pueden favorecer su alte-
ración (este sena el caso de las operaciones de reducción de tamaño) y en otros, al contrario, pueden favorecer su conservación ' (corno los productos obtenidos por enrusión, que tienen una baja a.. ). No existe acuerdo entre los distintos autores para establecer una clasificación de las operaciones de transformación. Algunos lo hacen en función de la naturaleza de la transformación (física. quimica o fisicoquimica). mientras que otros se basan en el impacto que tiene la transformación en la composición del producto (cuadro 12.1). En cualqUIer caso, no se deben considerar como clasificaciones estrictas, pudiendo una operación incluirse en más de una tategona.
12.2. Reduccion de tamaño La reducción de tamaño es la operación unitaria por la que se disminuye el tamaño me dio de las particulas de un producto mediante fuerzas mecanicas. Aplicada a productos sóli· dos, la reducción de tamaño se denomina trituración. molienda O corte; en la de productos li· quidos se incluyen la atomización, la fromogenti:ación y la emulsificaciófI. Entre 105 diversos objetivos de la reducción de tamaño de las materias primas alimentarias se pueden citar: a) La adecuación a un posterior procesado.
puesto que la reducción de tamaño aumenta la relación superficie/volumen, lo que facilita las operaciones basadas en la transferencia de energía o de masa, como por ejemplo los tratamientos térmicos, la deshidratación o la eltracciÓn. La obtención de partículas con un tamalio homogéneo contribuye, además, a una mezcla uniforme en la preparación de alimentos formulados con varios ingrediemes (por ejemplo, las sopas secas). b) La obtención de productos especificos que tengan unas propiedades funcionales ade· cuadas (especias, azúcar glaseodo. etc.).
Copiflllo 12. OperociOll'" de IrOMFormoción
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P.oculot;¡¿", .•lo:. MakIeocio, ,Ir; .
5.d''''if'OOCiOlo. ,."".lvgociOn. R~oci¿'n . ..hroh~,oc¡ón, ~,..nso-do. "'",irodo. elC. Ex..:>cc.on liquido-líqu,do y ~quódo-"¿'¡¡do, )A/'OCÓo.. con Ruido. ,up'rcnto<:o •• cn""hoción. d,ciOn ...
Mudo ';mple Muda con r.""'''lociOn
Muda. omasodo, I>amag..... 'zoción. ele rOtO"l
Po< coO:>r T'o,,,brmoción q..¡¡""ico
¡•••• ¡
Por "OC:Í
e) El aumento de la gama de Cabricación
(por ejemplo, los embutIdos loncheados). d) Facilitar, en general, su manejo y transo porte.
/2.2. /. RedUCCión de tamaño de alimentos
sólidos Las tuerzas mecánicas que intervienen en la reducción de tamaño de alimentos sólidos son la compresión, el impacto y la cizalla, aunque en cada equipo suele predominar una de ellas. Las tuerzas de compresión son las más impor· tantes en la trituración de materiales groseros hasta obtener partículas de unos 3 mm, mientras que las de cizalla suelen estar asociadas a la molienda o reducción de tamaño para obtener productos de tamaño mucho menor, en polvo. La trituración y la molienda se suelen considerar operaciones muy ineficaces desde el punto de vista energético. Tan sólo una pequeña parte de la energía aplicada se emplea realmente en la ruptura o fragmentación del sólido. La mayor parte se dirige a la deformación de ese sólido y a la creación de nuevas líneas de debilidad por las que se pueda producir la rup-
ele .
AJ.ado. "'..... <:oc'/IOda. f,.iMe. !..:>tneada. u; . H,d'09"'ocio.. y • ...."Ioc;oc¡¿", de graso •. ~id,61;.". tIC.
tura sucesiva de los fragmentos. El resto de la energía se disipa en (arma de calor. Entre ¡as propiedades de los alimentos que determinan la cantidad de energía necesaria para su fragmentación se encuentran la durera y la friabili· dad (o tendencia al desmenuzamiento), así ca· mo el contenido en agua . La fricción entre las partículas de producto y entre ¡as partículas y la maquinaria, junto con la disipación del exceso de energía aplicada, puede hacer que la temperatura de los productos aumente notablemente, favoreciendo su alteración Durante el procesado de alimentos sensibles al calor, la temperatura se puede controlar mediante dispositivos de refrigeración (como camisas O serpentines) O mezclando directamente Nl líquido o COl sólido con el alimento antes de su tratamiento. A) Equipo y aplicaciones I!n [a Industria Alimentaria
Los aparatos para la reducción de tamaño tienen diferentes diseños y dimensiones. La selección del equipo adecuado dependerá de las características que tenga el producto de partida y de las que se deseen en el producto fina!.
J 12
TeCnokJgio de /O, Ai,mefl,.;I1 (/1 Componen/eJ de /os alim~tos y procelol
Atendiendo a las caracten st cas del producto de partida se distingue en u ~ aparatos para la desintegración de: Alim ~nlOJ
duros J secos, con los que se persigulO': la ob tención d,: fragmen tos o polvos más o menos seC
do
!r: eSCQtr.:!S
La reducción de tamaño tiene una gran importancia en la industria cárn ica, Siendo funda · mental en la elaboraCión de una gran variedad de productos cárnicos. Contribuye a dismmuir la dureza de la materia pnma e incrementar el áre a superficial y su capacid ad de ligazón. Las picadoras pennHen obtener un tamaño de grano regular. pero provocan un Cie rto aplastamien!O de la carne. Uno de los camponemes básicos de una picadora estándar sencilla (figura 12.1) es el tomi llo slllfin que dIrige la carne haCIa el dispositivo cortador. Este diSpositivo consta, a su vez, de una placa preco rtadora, una cuchilla y una placa perforada cuyos orificios presentan superficies de corte en ambas caras. La materia pnma se somete durante la operación a fuerzas de cizalla y presión (entre el tormUo smfín y la ca rcasa estacionaria). de impacto (cuchillas) '/ de compresión (placa perforada).
Tolva de
¡ Tomio sinlin
2
,
3
@~o@ ....... ,
Placa pf$COrtJdOnil Cuchillas
de tres";lII
FK>l)AA 12 .1 . Elquemo
r er: cu~o;, el picado y el
dl!SmtnUlami~nto.
Plaal con onicios
proect3ra
d. Ut'"lO pic~¿oro de corneo
COpl/vlo /2:
Op&rocion~J
d. /rcnJormcciÓl1
coiumnas, entre las cuales se abren espa::ios de salida. La carne es impulsada por la fuerla centrifuga y arrastrada hacia los bordes de las cuchillas. El grado de reducción se regula con la velocidad del impulsor. el número y tipo de cuchIllas, así como con el tamano y la disp)sición de los orificios de salida. El grosor de lo!; copos sude estar comprendido entre 0,76 y 42 mm. Para el troceado en cubos se emplea un equIpo sImilar (figura 12.3), combinado :on un
El troceado o corte en copos u hOjuelas se realiza habitualmente con aparatos de funcIonamien to en continuo del tipo Urschel Comitrol (figura 12.2), que proporcionan un corte !impio y una granulometrfa regular. El impulsor gira a una velocidad superior a 400 rpm y se mueve en el interior de la cabeza estática dotada de superficies conantes o cuchl1!as. Es· tas cuchillas inciden en sentIdo inverso al del movimiento del impulsor y están dispuestas en
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Pillu de
Copo.
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Impulsor
ftGI..R.A ¡ 2.2.
EICjIlI"mO
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111'1 ¡¡Iorema
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3 13
Ur!.l:hei Cam,lTc~' al eobe.zo eortal'1le; eapol.
formoci¿m de
3 14
Tecnología de b A}imenIoJ.
mComponenteJ de lo, alimenla5 y proceso,
Guía "., "'"...,
EJe de alimentación Cuchila redonda Cuchilo rascador de carte
FIGutA 12.3. Repruentoci6n e5quemotica de una máquina !roceadoro en c~bos.
Árbol de CI.JChiIla~
Cubierta de
lu cuchillas
T.""
,
F~
12.4. Esquema de una cúter.
Cop
cuchillo redondo hc-rizomal que subdIvide las lonchas en tiras. Estas tiras son dingldas. a contiauación. bacia un luego de cuchillas perpendiculares. donde se c;;:lnan para dar'la forma de cubos \. La cuter (figura 12.4) probablemente sea uno de los equipos más imponantes y versátIles de la industria cárnIca, aunque tambi~n se utiliza para el cone de divel"lOS tipos de frutas y hortalizas duras Lo más destacable de este equipa es que,junto con la operación de reducción de tamafla, tambi~n mezcla y amasa intensamente los ingredIentes oecesarios para la elaboración de una gran cantidad de embutIdos. Consta de una cuba redonda honzontal (entre 10 y 1.000 htros de capacidad), que gira lenta· mente moviendo el producto hacia un árbol que tambi~n gira a .sran velocidad (hasta 6.000 rpm) y en cuy.. e:
8) Efecto en {os allmentOl
Esta operación cambia drásticamente la te¡¡tura de los ahmentos, sobre todo si se logra una fuerte disgregación y reducción de la estructura original. El aroma tambit!n puede modificarse por la pérdida de sustancias volátiles, especialmente si aumenta la tempentura durante la operación. La reducción de tamaño, en genera l, no alarga la vida utd de 105 alimentos. De hecho, puede influir negativamente si tenemos en cuenta que, como consecuencia de la ruptura de tejidos, se van a liberar enzimas que en los tejidos intactos estaban compartimentadas y posibles sustratos para el creCImiento de microorganismos. La e¡¡posición al aire de una ma-
3 15
'lar superfiCIe del producto puede favorecer re · accIOnes de o¡¡idación, así como otras reacciones quimicas y enzimáticas y el crecimiento de mIcroorganismos. Como consecuencia de todo ello, se producen pequei'ias pérdidas nutritivas (o"idaclón de vitaminas y ícidos grasos) y sensanales (color) y una reducción de la vida util del producto, sobre todo si no se controla la temperatura.
12.2.2. Redveción de /amoño de o/imentol liqu,dos La alom¡~aciól'l consiste en la subdivisión de un líqUIdo en pequeñas gOtas de tamaño uni· forme con el fin de obtener una aspersión. Es una operación previa y fundamental para facilitar y acelerar la transmisión de calor y de masa en algunos tratamIentos t~rmicos, deshidratación, etc. Uno de lo~ ltomiudores más comunes en Ja Industria Alimentaria es el atomiza· dar centrifugo (figura 12.5). que permite mane jar fluidos bastante VISCOSOS y, a diferencia de otros, no se obtura fácilmente si existen partículas en el liq uIdo de alimentación. Además, es muy resistente a la abrasión y con el tiempo no se observan grandes variaciones en el tamaño de las gotas. El liquido se introduce en un disco que gIra a gra n velocidad y que tiene ranuras o canales por los que emergen gotas de tama~o bamnte uniforme (50-60 ¡.¡.m). La emulJificacióII es la operación por la cual se obtiene una dispersión de un líquido (fase discontinua, dispersa o interna) en forma de muy pequeñas gotas (0,1-50 ¡.¡.rn de diámetro) en otro (fase continua, dispersante o externa), siendo ambos líquidos inmiscibles. A esta dispersión se le denomma emulsión. La emulsificación se considera en algunas ocasiones como una operacIón de ntezcla, ya que se consigue una distribución más uniforme de dos componentes inmlscibles Una operación muy relacionada con ~sta es la homogel'lú~ación, que conSIste en la reducción de lamano (0,5.) J.lm) y el aumento de nu-
31 6
TffCnoIogío de/al A1¡menlo,. (IJ Componen/e5 de los olimen/os y P'OCftSOS
Tubo de
Eje dfI giro
alimet\tacióo
'7'\
Dispensador
Canales para salida
de/luido FIGURA 12.5 . Esquema de un aromizadO' centrifugo.
mero de las partículas de la fase dispé:rsa de una emulsi6n ya tomada. Los dos tipos básicos de emulsiones derivados de la mezcla dé: una fase acuosa y una fase lipídica. son las de aceite en agua, cuando el aceite es la fase dispersa (por ejemplo, la le· che), y las de agua en aceite, cuando la fase dispei"sa es la acuosa (por ejemplo, la mantequr!la). Sin embargo, es necesario :>eoalar que la mayoría de las emulsiones alimentarias son mucho más complejas, ya que además de estas dos tases líquidas inmiscibles suelen existir partículas sólidas y burbujas de gas (por ejemplo, los helados). En ocasiones no hay ni sr quiera una solubilización perfecta de las fases. como en los embutidos, en los que incluso se encuentran estructuras fibrilares. Las distintas fuerzas de cohesión entre lu moléculas de las dos tases determinan que exista una tensión interfacial. Para superarla y mantener las dos fases en movimiento y sepa-
radas es necesario suministrar energia. Habitualmente esto se logra mediante una agitación violenta o una presión elevada, que cizalla o divide las gotas grandes de la fase dispersa en otras más pequeñas. Como consecuencia de esta división hay un gran aumento del área superficial de la fase dispersa. Por ello. a menudo se requiere la utilización de Compu.oiOS II!nSOactivos o su.rfactancts que disminuyen el requerimiento energético necf!sario para crear esa nueva superficie. En témúDos moleculares, los tensoactivos son molt\culas anfifl1icas que contienen una porción hidroliliel y otra hidrofóbi- . ca. por lo que tienen una fuerte tendencia a disponerse eo la interfase agua-aceite. Entre los más freCuentes en la Industria Alimentaria pueden citane los mono- y diglicéridos, los fasfoUpidos (lecitina) y las proteínas. Las emulsiones. una vez formadas. son inestables y sus fases se pueden separar de nuevo por sedimentación o flotación, agregación y/o
Coptulo 12: Op.rodoneJ d. Irorn/ormocitSn coalescencia de las gotas de la fase dispus •. La estabilidad de una emulsi6n depende. p"r 10 tanto. de la intensIdad de las fuerzas inter1;lcia· les. el tamaño de las gotas de la fase d¡s¡:~rsa . la diferencia de densidades entre las dos lases y la viscosidad de la fase continua. La est Ibiti· dad de una emulsi6n se puede aumentar Ilota· blemente por el empleo de tmul.sificado."n o tmu.lgl!nte.J, que tienen act Ividad de superficie y forman una pelicula alrededor de las gOLIS de la fase dispersa, evitando su coalescencl¡. En algunos casos, los ~mulgen[es suponen un im· pedimento estérico o eléctrico a la uni6n (o: las partículas de la fase dispersa. Ouos emulg,!ntes aumentan la viscosidad de la fase contirua y restringen, por lo tanto. la frecuencia de coh· siones entre estas partículas. como por eje.l lplo los hidrocoloides. Otra forma de eVItar o retar· dar la desestabilización de las emulsiones es la solidificación de la fase continua; esto es 1(1 qu~ ocurre en algunas emulsiones cámieas al aplicar calor o en los helados al aplicar fria.
A) Equ.ipo y aplicacion~ ~nla Industria Alimrfllaria Para consegUIr la divis1ón de la fase dispersa en multitud de gotas del tamaño requerido (ha· bltualmente 1-10 ).lm) se necesitan fuerus de cizalla de gran intensidad. El equipo dep-:ndc de las característIcas de la matena prima. 1. Las mtlcladoras de gran velocIdad, de !1po turbina y hélice, son adecuadas para sistemas líquidos de baja viscosidad. Las mezcladoras más lentas, con aglcaclón suave. s610 son üliles para el m..lOejo de sustancias m u!, visc.o$oll.GO!Ilola masa dI" pan. 2. Los homogtnei:.ador~ a pr~ió" (fig ura 12.6. 01). compuestos do:: una bomba de presión (10-70 MPa) que bace pasar elli· quido a través de una válvula de homogeneización con una apertura regullblo::, se emplean para fluidos poco V1SCOSOS
3 17
como la lecr.e, los helados. los aderezos para ensaladas y las salsas. 3. Los molinos coloidales, con distas verticales en los que la pequeña apertura entre los discos (5Q..150 ¡.rm) y la gran velocidad de giro (3.000·1S.000 rpm) dan lu· gar a grandes turbulencias y fuerzas de cizalla. son útiles para productos muy viscosos como pastas de came y pescado (figura 12.6.b). Estos molinos suelen estar refngerados porque la fricción gene· ra una cantidad de calor considerable. 4. Los homogtnázadorcs d~ u.ltrasonidos. que aplican ondas de sonido de elevada frecuencia (IS-30 kHz) generadas por un vibrador de cuña o una cuchilla met.ilica. se emplean para alimentos liquidas. como aderezos para ensaladas. emulsiones de aceites esenciales. helados y cremas artificiales (figura 12.6.c). Los ciclos de compresión y tensión y (os fenómenos de "Cavitación de las burbujas de aire , permit~n fonnar emulSIones con tamaño de gota de t·2 J.Lffi. Entre ¡as principales aplicaciones de la emulsificación y la homogeneización en la In· dustria Alimentaria cabe citar la elaboración de los sigUIentes productos: 1. Mantequilla. por inversi6n de la emulsión natural de la leche. 2. Margarinas. elaboradJs a parm de mezclas de grasas y lceHes con leche desnatada, sal, vitaminas y agentes emulsificantes. TIenen una estructura SimIlar a la mantequIlla. 3. Leche homogeneizada, en la que la emulsión narural de la leche se estabiliza reduciendo el tamaño de los glóbulos de grasa. 4. Helados, una emulsión compleja cuya textura final y estabilidad se logra por la congelación de la emulsiÓn formada en estado liquido. 5. Emuhioncs cámicas como salchichas y patés, ea las que los glóbulos de grasa,
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en solUCIón y burbujas de aire). Se prep"",,,,,,,
paran en forma más o menos Hquida, obteniéndose la textura final durante el harneado.
8 ) Efec/o en 101 alimentos
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FIGUU 12.6. Equipos emple
cubiertos por una fina película proteica, están dispersos en una fase continua acuosa compleja (que contiene diversos componentes musculares solubles junto con segmentos de fibras musculares y de tejido conec'tivo). Un tratamiento térmi · ca posterior contribuye a su estabilidad. 6. Aderezos para ensaladas y mayonesa. 7. Bizcochos y productos de: panadería , cuya fase continua también es compleja (con almidón coloidal, azúcares y aromas
La emulsificación y la homogeneización modifican las propiedades funcionales y ocganolépticas de los alimentos. La viscosidad aumenta notablemente al incrementarn el numero de glóbulos grasos en 105 allmemos líquidos y semilfquid05 (por ejemplo , en la leche). La textura de las emulSiones sólidas también cambia, aunque en este caso son fundamentales Olías operaciones posteriores, com,) la con· gelación en los helados y la aplicación de calor en las emulsiones cárnicas y Jos productos de panadería. La variación en el color depende en yan medida de la reducción final del tamaDo de la fase dispersa. La leche homogeneizada, por ejemplo, es más blanca. Normalmenle el sabor y el aroma mejoran por la distribución más homogénea de los compuestos sápidos y aromáticos. En cuanto al valor nutritivo, la reducción de tamaño de partfculas grasas y proteicas puede favorecer su digestibilidad, lo cual es imponante en los alimentos infantiles. La vida uul no cambia, aunque es necesario un procesado higiénico para evitar la dIspersión de microorganismos contaminantes que pudieran encontrarse en la matena pnma. Ha· bitualmente es necesario complementar con algun procedimiento de conservación que permita alargar la vida üul de las emulsiones
12.3. Aumento de tamaño La fiocu/oci6n, o formación de agregados insolubles de gran tamaño, es de escaso interés en la Industria Alimentaria, limitándose prácljeamente a la eliminación de coloides responsables de turbid ez en algunas bebidas, para su
Copílvlo ¡ 2. OperocJOMJ c;. transformocióll
clarificación. Los agentes floculanles pueden ser de naturaleza proteica (albúmina de huevo o gelatina), polisacaridica (alginatos) o mineral (bentonitas) La flocuJaci~n lambi~n fonna parte de los procesos de purificación"l!e aguas y de tos tratamientos de reSiduos, para la sepa, ración de materia en suspensión. La o.glo~raci6n mejora tas propiedades funcionales de 105 productos en polvo obtenidos por la molienda de sólidos o por la deshidrataCión de líquidos_ Los productos en polvo que tienen un tamano de partícula demasiado pcquei\o « 100 11m) son de dificil manipulación, almacenarruento y re hidratación por sus deficien tes propiedades de flujo (con una gran tendencia a la scgregaclón y 31 apctmazamiento), así como de humectabilidad y dispcrsabilidad. Con la aglomeración se pretende obtener acúmulos de estas partículas finas que tengan una estructura más abierta. Dependiendo del opo de industria en la
que se aphque, esta operación también se conoce por insf!lrlltJnázoci6n o granulación_ Para a'?;lomerar laS panículas es necesario ponerlas ~n contacto y que al menos una de ellas tenr,a una superficie untuosa _ Esto se puede cOlIScgUlr mediante la rehumidificación de las partículas con un liquido O con vapor de agua, lo cual provoca la disolución de pa¡te de los compcnentes que se encuentran en la superficie de las partículas, aumentando así su VISCOSidad y facilitando su unión (figura 12.7.a). Los aglomerados obtenidos, en los que emten muy pocos puntos de unión entre las d15tmtas partículas, se se:can para eliminar el agua anadida eo esta operación y se enfrían por debajo de su punto termoplástico, La posterior clasificacióo por tamaño elimina tanto los ag.lomeradO! demasiado grandes como los excesivamente peque:jos, seleccionándose aquellos que oscilan entre 250 y 4()() 11m.
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FIGUU 12.7. Aglomeroción: al $Kuencio de la formo ción de oglomerado1; y bl equipo poro la oglorneroClÓ<'l con inyeCCIOn de vopot
320
Tecnologio d"IoJ A}im"n/oJ. {I] Componentel d"los ohmentos y procesol
Habitualmente la aglomeración se lleva a cabo con agua como medio de hurr>jdlficac:ó¡¡, por ejemplo, en lO!; productos lácteos. En ocasiones se añade Ul": ligan te, como maltodextrinas o goma arábig;1 en las esencias aromáticas volátiles. En l~ productos con un elevado contenido de grasa, los aglomerados se pueden recubrir con un material que tenga actividad de superficie y disminl:/a la tensión superfidaJ, fa· cilitando así su pO:Herior solubihzae¡ón (por ejemplo,lecitina). El equipo utilizado para la aglomeración puede ser un lecho fluidizado O una torre de deshidratación ada¡:tada (figura 12.7.b), en los que se inyecta ... apor de agua que se condensa b1en en la superfic1e de las partículas o bien en forma de gotas de agua contra las que pueden colisionar estas partículas. Otra alternativa consiste en la atomi~lc ló n de un Iiqu1do sobre la corriente de partkulas. En cualqU ier caso, el resultado es la fonn~ción de puentes líquidos y viscosos entre I ~s partículas de pequeño tama· ño. Los aglomerado.> se estabilizan mediante secado con aire caliente, que provoca la cnsta· lización de las sustan:ias disueltas en los puo::n. tes liquidas, quedando unidas así las partículas primarias. Las fuer2a.!l de unión en eStOs aglomerados son suficientes para impedIr su erosión durante el transporte y la dosificac1ón, reduciéndose la formaciÓn de polvo. Los productos aglomerados tienen buenas propiedades de rehidcatación porque los amplios espacios de aire que quedan entre las par· ¡ículas indi\iduaies ayudan a la penetración de! líquido en la estructura porosa. El líquido puede entonces rodear a cada partícula, facilitando su dispersión en el seno dellfquldo '! su inmediata disolución. Es deCIr, se obtienen pradljc· ras insranttintas, que se disuelven completamente en ·tan sólo unos segundos. Entre las principales aplicaciones pueden citarse la aglomeración de leche desbldratada en polvo o fórmulas para alimentación infantil, de concentrados de proteina de suero y caseinatos cálcicos (para mezclas lácteas), proteína de so· ja (con mejor dispersabllidad para la elabora-
ción de emulsiones cárnicas) o proteínas de huevo, asl como la aglomeración de compuestos aromátiCOS y mezclas de gelatina con sacarosa y ácido cítrico (paca la preparación de pomes).
12.4. Mezclo La mezcla es una de las operaciones más frecuentes en la Indusma Alimentaría. reqmnéndose para la elaboración de prácticamente todos los productos . COnsiste en la combinación de dos o más componentes, paca obtener una diswbución uniforme . Esto se consigue medianle un flujo que, habitualmente, se gene· ra por procedimientos mecánicos . Este flujo permite poner en contacto los distintos campo· nenles de una mezcla (por ejemplo, en la diso· lución o en la formación de emulsiones) y/o la destrucción de estructuras al hacer un trabajo mecánico adicional (como en la elaboración de productos cámico.s). Con muy pocas excepciones, entre las que se puede citar la mezcla de componentes pata la preparación de sopas secas, ésta suele ser una operadón preparativa. No se lirnHa a la mezcla de sólidos o liquidas, SinO que también incluye la de gases, siendo éste el ,:;aso de la preparación de atmósferas modificadas para el envasado o la carbonatación de bebidas refrescantes (líquido/gas). Cuando se manejan gases, líquidos o pastas viscosas es relativamen le fácil obtener una mezcla homogénea. Pero la situación es muy distinta para polvos secos o productos particulados, donde el grado de mezcla depende no sólo de la eficiencia de la mezcladora. sino también de muchas caracten·s¡icas de 103 componente3 (tamai\o relativo, forma y densidad de las panfculas de cada componente, tendencia a formar agregados. contenido de humedad, caraClerfsticas de superficie y de flujo, etc.). En este caso, las mezclas más homogéneas se consiguen cuando los distint03 compo nentes tienen un Jamado, forma y densidad similares.
Capitulo /2: OperoóOil.J d.lror.JforrnociÓl! A) EquIpo y aplicaciones tn la Industria
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El equipo utilizado depende de las caracte rísticas de los materiales que se van a procesar:
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Uquidos dt viscosidad bala o mtdia Para la mezcla de este tipo de productos ex iste una gran variedad de depósitos estacionarios, en los que se disponen aguadores dt palas (20-150 rpm), d~ turbina (30-500 rpm) o de hilic!!! (400-1.500 rpm; figura 12.8.a). En estos ~quipos la formación de vórtICes, en los que t¡e · ne lugar un desplazamiento del fluido en capas laminares concéntricas que no se mezclan entre sí (flujo laminar), se evita colocando los agitadores en posición excentrica, inclinada o tumbada en ellanque. También es ülll disponer de tabiques deflectores (láminas verticales) en las paredes del tanque , ya que rompen esas co· mentes circulares 'J crean un flujo turbulento. Las bombas, al crear un flujo turbulento, tamo bién consiguen un Cieno grado de mezcla. tantO en ellas como en las c o nduccion~s por las que circulan los fluidos Entr~ las aplicaciones pueden citar5~ la diluci61"1 de disoluciones concentradas 'J de iagredientes, el batido de productos lácteos, la re· constitución de productos en polvo, la mezcla de aceites para la elaboraCión de margannas 'J la preparación de salmueras 'J jarabes.
2. Liqwdos muy viscosos y paslilS Los equipos suelen ser específicos para cada aplicación. La mayor Viscosidad de estos proauC!os Teqtn~re la unm:4tlon de ~qu¡po,; 11...... robustos, con una menor velocidad de agitación y un mayor consumo energético. Para conseguir una mezcla homogénea es necesario que todo el producto esté en contacto con el agitador, el cual ha de recorrer todo el recipiente , amasando 'J envolViendo el producto Si se Je·
32 l
Depósito .slaciooaño
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12.8. Elemplol de equipol .mpleadol poro le mezclo en lo lndultl"lo Alimotn!o60 ' o) ¿epóli1o 'l:o~ionario ~on !Ielice, para liq~,dol de "'lColidcd baja o medio, 'o) mudodoro h:)rizonrcJ con ho¡o "" Z, paro 1'01/01; y c) mezclo joro de volteo de dobl. COI"lO, paro alimenral porr;~v~dol y leeOI . ÑGUItA
nera mucho calor por rozam¡.:nto será necesario acoplar un sistema de refrigeración. Los aparatos más empleados son: al
La:. m~zcladorlJl d~ b""de;a, estaciona· ria o giratoria. en las que los elementos de mezcla se disponen con tan sólo una pequeoa separación con el tanque de m~zcla.
b) Las me!cladoras hori:;onta{~s, que habi · tualmente tienen como elemento met-
322
Tecnologia de 10J AlimentoJ. (1) Componen/eJ de JoJ o/imenlo, y proceJOJ
dador una hoja en Z o en !: (figura 12.8.b), montada horizontalmente (1460 rpm). e) Las mtzcladoras conMuas, que cnnstan de un tornillo transportador sencillo o doble que gira en un barril cilíndrico y fuerza el paso de la masa viscosa a través de placas perforadas, parrillas o rejillas de hilo. En ocasiones también se utilizan molinos coloidales y mezcladoras estáticas de funcionamiento en continuo. En estas últimas, la mezcla se facilita tanto por el movimiento de les propios productos durante su flujo por las conducciones, como por diversos elementos deflectores dispuestos a lo largo del recorrido. Entre las aplicaciones más importantes se incluyen la preparación de pastas de carne y pescado, de quesos fundidos y de ma.sa de panadería y la mezcla de quesos.
3. Productos sólidos y secos
Con este tipo de productos, la obtención de me%clas con composición uniforme es muy difícil, por la tendencia a la segregación que tienen los distintos componentes durante la operación. La mejor situación posible que se puede lograr es la distribución al azar de los componentes. La posterior manipulación de estas mezclas ha de ser cuidadosa para evitar, en lo posible. su segregación. Las mezcladoras más utilizadas en este caso son: a) Las mezcladoras de ",o/Cto. adecuadas para la mezcla de polvos de características similares. Consisten en un depósito giratorio (20-100 rpm) de múltiples formas (cilindro horizontal, cono doble, cono oblicuo, cono en V y cono en Y) en el que el producto ocupa aproximadamente el 50% de su volumen (figura 12.8.c). La eficiencia de la mezcla se mejora con denectares y mecanismos giratorios internos.
b) Las mezcladoras de cintas, aplicables a productos con tendencia a la segregación. El movimiento de dos cintas metálicas, situada! en un recipiente horizontal estacionario, que giran en sentido opuesto y a distinta velocidad, produce la mezcla al mismo tiempo que la impulsa. Permiten la operación en continuo. e) Las mezcladoras de lomillo vutical, de gran utilidad para incorporar pequeñas cantidades de ingredientes a una gran cantidad de producto. El tornillo puede estar en un recipiente cilíndrico o cónico y puede girar centralmente o describiendo órbitas. d) Las mezcladoras de lecho fluidizado se emplean para la mezcla de particulas con características de fluiditación similares (tamaño, densidad, etc.). La preparación de sopas secas o de mezclas de ingredientes para la elaboración de tartas y la incorporación de aditivos a productos secos son ejemplos de la mezcla de sólidos particulados.
B) Eleclo en los alimentos
Las operaciones de mezcla mejoran la calidad sensorial y las propiedades funcionales de los alimentos porque aumentan su uniformidad, al tener los componentes una distribución más homogénea. Esto es interesante no s610 para el consumidor. sino también para el poste· rior procesado de los alimentos ya que es muy deseable que los productos a tratar sean homogéneos. Una mezda adecuada tambien es necesaria para asegurar que los productos cumplan la legislación correspondiente y contengan los in gredientes en la cantidad especificada (por ejemplo, los productos cárnicos o las mezclas de vegetales). Aunque la mezcla no tiene un efeclQ directo ni en la calidad nutritiva ni en la vida útil de los alimentos, indirectamente puede alterarla al
Copírvlo 1]; Operocio(lflJ de transformación
penni:ir que los distintos componentes reaccionen entre sí, especialmente si se genera calor durante la operación,
12.5. Moldeado El moldeado o formado .se aplica a alimentos muy viscosos o pastosos para darles diversas formas y tamaños, siendo su principal obje· tivo aumentar la diversidad y ofrece r al consu· midor un producto atractivo. Además de la forma. también es importante obtener un tamano homogéneo, por su repercusión en operacion~s posteriores (transmisión de calor, ron· trol de la cantidad de relleno que se va a intro· ducir, en\'asado, etc.). Los equipos utilizados son muy variados y especílicos de cada producto, por lo que no es posible tratarlos aquí con gran detalle. Pueden consistir en rodillos con moldes que presionan una lámina continua de masa, cintas continuas con moldes individuales donde se introduce el volumen adecuado o moldes individuales (tripa natural, recipientes metálicos o plásticos) . En algunos casos es necesaria la aplicación de ca· lar para fundir una pequeña proporción de un componente termo plástico o para la gelificación de las proteínas; mientras que en otros para fijar la forma adecuada es necesario lo contrario, es decir, el enfriamiento de la masa. En la elaboración de embutidos y productos cárnicos e! moldeado es una etapa de gran im· portancia que se realiza introduciendo la masa cárnica en tripas naturales o de materiales ce· lulósicos. o bien en moldes metálicos. Dentro de la industria láctea, se aplica para dar a los granos de cuajada la forma caracteristica del queso, formar los bloques de mantequi!ta y obtener distintas variedades de helados. La obtención de una forma caracte rística es fundamental en la producción de aperitivos y productos de confitería. Esta operación no tiene ningún efecto destacable en las características sensoriales, e! valor nutritivo o la vida útil de los alimentos.
323
12.6. Modificación de la textura La textura es una de las cualidades de los alimentos más valoradas y reconocidas por lo~ ronsumidores. Aunque es difícil dar una defini· ción exacta de textura, se p¡¡ede considerar relacionada con la percepción asociada al sentido del tacto, bien a través de los dedos, la mano o la boca. Son varias las operaciones por [as cua· les puede modificarse la textura de las materias primas alimentarias, pudiendo citarse entre ellas la gelificación, la lt.J:turizaciÓn y la t..t(7V¡ión. Las dos primeras se tratarán brevemente a continuación, mientras que la extrusión, dada su complejidad, se desarrollará en el siguientt: apanado.
/2.6. ¡. Gelificodán
•
Los principales objetivos de la fonnación de un gel en la Industria Alimentaria son: a) Proporcionar una consistencia adecuada a los alimentos. para que mantengan su forma y tengan una textura apropiada al masticar (por ejemplo, Jos flanes) . b) Dar al prod ucto estabilidad fisica, mano teniendo panículas en suspensión y difi· cultando su sedimentación y agregación o evitando la sinéresis y el movimiento de solutos por difusión.
Los componentes de los alimentos que pue· den formar geles son los polisacáridos (almidón, hidrocoloides), las proteínas (actomiosina, gelatina, ovoalbúmina, soja) y las partículas ca· loidales complejas (micelas de caseína), bien solos o combinados. Cada agente gelificante requiere distintas condiciones para la formación.de un gel (capítulos 4 y 5). La rigidez. elas· ticidad y fragilidad de! gel dependen; entre otros factores, de l tipo y concentración de agente gelificante, de la concentración de sal, del pH de la fase acuosa y de la temperatura. Además, no hay que olvidar que el res to de los
324
Tecnolosio de IosAlimenJOJ.
compon~n!es
mCompon¡mles d, los oljm,mloJ y
del producto pueden ~f!c!Jr al proceso. La formación de [os ge[cs proteicos suele requerir la desnatura[izi!.ción y despliegue de las cadenas polipeptidicas. median/e la aplicación de calor o el cambio del pH de la solución proteica, tras lo cual se asocian gradualmente para formar una red tridimensional. En algunos casos, en cambio, tan sólo se requiere una hidrólisis enlimática (cuajada). Los geles de polisac:iridos se fOrman a partir de soluciones diluidas. por la asociación de regiones eSlructu· raJes regulares de las cadenas, medIante caliones diva[enles o fOrmación de hélices En .seneral, los geles de polisacáridos son más quebra· dizos y menos elástICOS que los proteicos porque la estruclUra de sus cadenas es más riglda y las regiones enlre los puntos de unión de varias cadenas suekn ser más cortas, aunque depende mucho del tIpO de polisacarido. Para la formación de geles no se requieren aparatos especificos, ya que la operación dependerá en gran medida del agente gelificante. En muchos casos es necesario aplicar calor, lo cual se puede hacer cuando el producto está en un molde (por ejemplo, en los productos cárnicos). mientras que en Otros la gelificación tiene lugar durante el posterior reposo yenfnamiento de la solución calentada y venida en el mol· de (gelallnas de repostería). Son muchos los alimentos cuya te:tfUra de· pende de la formación de un gel. Entre los geles proteicos más Importantes se encuentran el yogur. la cuajada, los productos cárnicos pica· dos, el kamaboko, la gelatina, ellofu y la masa de panadería. Algunas proteínas (caselnatos, proteínas del suero de leche. de la clara de huevo O de sOJa) se a~aden precisamente como ingredientes
prOCflSOJ
En la actualidad hay un gran interi!:s en las mezclas de biopolímeros para la formación de gele5, bi.:n por razoneS económicas o por la posibilidad de obtener nuevas texturas. Éste es el caso de algunos rellenos de tarta, que se elaboran con \:na mezcla de gelatina y agar. Cada biopolímero contribuye a la formación de una red mdependiente, pero entremezclada con la del otro La red de agar se mantiene a temperaturas superiores a los 30 ·C, mientras que la facilidad con que funde el gel de gelatma en la boca pro· porciona la sensacIón adecuada. Otra posibilidad es fo:mar una única red por combinación de dos tipo~ distintos de biopolímeros. Esta red tendrá ur lS propiedades eeológicas nuevas y diferentes 1. las de los geles individuales.
/2.6.2. f,!.dvrizociOn
[..1 te.1turización tiene por objetiVO la trans· (onnacióu de disoluciones de pro!efnas, con caracteriSllcas organolépticas deficientes. en pelé· culas, fibras o particulas que tengan una textu· ra masticable y una buena retención de agua. La [extur;zación de las proteínas y los pnnclpales metodos utIlizados se describen en el capi· tulo..l Como materia prima se emplean prOleínas vegetales (soja) o productos ricos en peote· rnas anim'lIes de baja calidad comercial (suero lácteo , 5uJproductos cár01cos o pescados sm valor comercial). Los productos texlurlzados se a"aden, en ocasiones, a los productos cárnicos picados para mejorar su aspecto fibroso. También son út¡· les para la elaboración de camts fabricadas porque las fibras se pueden organizar de tal forma que asemejan libras musculares reales. Los produ,:tos resultantes Uegan a tener, tnclu· so, la misr.la_apariencia que el pescado, el Jamón o la C.:lme de pollo y temera. Estos pro· ductos lon de Interés, no sólo por el reducido coste de la ma.teria prima. sino tambien para la alimentaCIón de personas con restricciones dietbicas (nIveles controlados de grasa) o vegetarianos.
Capitulo /2' OpclfocloneJ de lramFormoción 12.7. Extrusion La extrusión, más que una operación, debe considerarse como un prc.;eso completo y conIInuo que combina disEinras operaciones unitarias' transporte. mezcla. amasado, cocción y mold.:ado. Su principal o:o;e'ivo es diversificar los alimentos porque penllile obtener, a partir de ingredientes básicos. productos muy vanadI» en CUanto a forma y InJura. Es uno de los proceso~. más vel'$átlles y meJor estableCidos en la Industria Alimentaria ac· tual por 105 siguientes mO:IVos' a) Los alimentos sufren un procesado mínimo. en cuanto al ca'QC y las fuenas de CIzalla empleadas, y I que es muy rápido (segundos). b) Versatilidad. porqu: sirve para la elabo· ración de producl)$ tradicionales mediante una operacióll continua y eficiente, así como de una gran diversidad de Olros nuevos, con tan sólo cambiar los ingredientes O las condiciones de operación c) Muchos de los productos que se obue· nen wn únicos y no se pueden elaborar por otros métodos. d} Con respecto a los métodos tradicionales equivalentes. el coste de inversión yoperación es iofenor y la productIVidad mayor. e) AutomatIZación elevada f} AusenCia de e[luentes.
El proceso Implica el acondiCiOnamiento de la materia pnma (compuesla principalmente por protdnas yro polisacaridos) hasta un con~ de humedad tkl15-J()% Eso mezcla se introduce a continuación en el cuerpo del extrusor, donde el giro de un tomillo fuerza su paso a través de una boqUilla o placa perfora· da. La fonnul3Clón, basada en un biopolímero, sufre una compleja transfonnación fisicoqw'mi ca. obteméndose una masa viscoelástJca que se puede moldcu. Estas transformaciones ded-
325
van de la energía mecánica y/o térmica ~ca da al malerial durante su transporte en el ex:trusor. DependIendo de la aplicación de calor durante el proceso se distinguen:
a) EXUIISiól1 dé moldeado O en frio. que transforma la mezcla de ingredientes en un producto e:uru.do cohesivo y homogéneo, sin que sea necesano un calen lamlenlO. Los productos típicos eI¡tborados con este tipo de e:
326
Tecnología de lo. Alimenlol.
~1
Componenl"lr. eH lo. a/imfJfIlo' y proce$O'
posición qulmic..J) y de las coodiciones en que se realiza la extrwión (temperatura, presión, tuna1r.o de los orificios de la boquilla e intensidad de las fuerzas de ciz.alla). La diferencia de comporumieoto de los materiales ricos en poli~cáridos y de los ricos en proteina hay que atribuirla a la existencia de dIStintos tipos de inleracciones moleculares. Los materia.les ricos en polisacáridos, fundamentalmente almidón, son baslanle homo8~neos en cuanto a la composición de sus monómeros. La principal interacción entre 125 macromoléculas, responsables de la estructura final de! producto extruido, probablemente sea de naturaleza electrostática (entre los residuos de azucar). Puesto que sólo existe un tipo de Interacción, durante el proceso hay una transición muy clara de polvo humedecido y comprimido a una fase fundida (por la reducción si· multánea de todas las (uerzas coope rativas, que tienen una energía similar). La conducta de flujo y la magnitud de la expansión del producto se pueden predecir con relativa facilidad . ya que dependen, principalmente, de la concentración de polímero y del conteOldo en agua . Como estas interacciones son relativamente débiles, los productos que se obtiene n son muy expandidos y tienen una estructura bastante frágil que se rompe fácilmente en presencia de agua. Estos productos se pueden coosumir directamente tras su obtención, sin necesidad de un posterior procesado (por ejemplo, algunos aperitivos) . La adición de proteínas a estas harinas ricas en almidón cambia su comportamiento: los productos se expanden menos y son más densos, más resistentes a la disrupción por agua y. en general, menos apropiados para el consumo directo. Necesitan hidrauclón y se reducen previamente a material en polvo que tiene utilidad como ingrediente funci onal. En cambio, los materiales ricos en proteína tienen una gran diversidad de monómeros y de interacciones posibles, tanto entre las molt:culas de proteína como entre [as proternas y otras moJt:culas. Habitualmente no hay una transición tan clara a una (ase fundida y la expansión del
producto es más im¡nedecible. Se considera que las proteínas sufren las siguientes transformaciones durante el proceso de extrusión: la disgregación de la harina por la mezcla mecánica, la lormacióo de una suspensión homogenea con la desnaturalización simultánea de las prote(nas (por disociación y separación de cadenas) , el ali· neamiento de esas proteínas desnaturalizadas en la dirección del nujo y, finalmente, su entrecruzamiento a la salida de la placa perforada. A pesar de la investigación realizada durante los ultimas años, la ext:usión aun se considera como un ane en desarrollo más que una tecnología plenamente desarro!lada. Tan sólqJ,!ie han logrado deducir algunas reglas empíricas y modelos matemáticos que relacionan la contribución al producto final de cada una de las variables de! proceso y de la composición de los Ingredientes.
A) Equipo y aplicaáoflts tfl la Industria Alimtfltantl
En estos momentos existe una cierta variedad de urrusores o extruidores en la Industria Alimentaria para dl$linlOS fines, aunque su funcionamiento y componentes son similares (figura 12.9). La tolva de alimentación reCibe los ingredientes y los introduce en el cuerpo del extrusor (cilíndrico o cónico), en cuyo interior se encuentra un tornillo de Arquímedes . Este tornillo, que puede tener distlOtas configuraciones. arrastra , comprime. desgarra y amasa Ja materia prima para formar una masa semisólida y plástica, que es forzada a salir a través de los orificios de una boquilla. En la salida , una guillotina o cuchilla giratoria permIte obtener productos con un tama~o adecuado. El cuerpo del extrusor puede estar rodeado de camisas para calenur o enfriar la materia tra· tada. A estos componentes básicos se pueden a~adir otros adicionales, desde premezcladoras y preacondicionadoras de la materia pnma pa -
Tolva dt
Doble cam~ fria
afimen~ pIIl1I
Doble camisa
para Y1IpCI( de ague Boquila
"
Cuchilla
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SECCiÓN D~ ALlMENTACIQN
•
SECCIÓN DE SECCiÓN DE AMASADO MEDIDA.
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EIltrada d,
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5 4
3 2
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Boquilla
produdo
FIGUR .... 12.9. E.lgvema de un U!rVlor de lomillo úni~o. En le 9róR~o inferior se mve.llro el perfil rípico de temperoturo nineo ~onlinvol y prll.lión del producto Oíneo diw~(1linIJOJ.
ra proporcionar una mezcla más homogénea, hasta deshidratadores, tostadores o aparatos para recubrir los productos extruidos con saborizantes u otros aditivos. El grado de compresión ejercido sobre la masa depende de la configuración del tomillo y del cuerpo del extrusor. Si se necesita generar una mayor presión se puede: aumentar el diámetro del tornillo y disminuir su paso de rosca, combinar un tornillo de paso homog~neo (o incluso con disminución progresiva) con un cilindro tronco-cónico o añadir algún impedimento a jas alas del tornillo. La boquilla, a la salida
del cuerpo del extrusor, también proporciona una presión ad1cional. Existen boquillas especiales que permiten combinar los materiales obtenidos en dos extrusores distintos, para obtener productos más complejos, por COUlrusión. Así se elaboran, por ejemplo, algunos aperitivos que tienen más de un componente o las salchichas rellenas. Según las condiciones de funcionamiento , como se ha indicado anteriormente, se distinguen extrusores en frío y en caliente; los cuales, a su vez, pueden ser según su construcción sencillos o de un solo tomillo y de tornillos gemelos.
3~ B
Tecnología de los Alimenlos. III
1. E:.ctrllsort!S
t!n
C~ponflntes
fdo
Fueron los primeros extrusores desarrolladO! y se utilizaban tan sólo para dar fonna a al· gULas productos (como macarrones a cereales list,)s para consumir) . Dentro del extrusor no se f!.nera una gran cantidad de calar y tampoco :;e aplica calor ex temo. De hecho, inte resa reducir la fricción al mfnimo, por la que se emplean tornil1os can alas muy profundas que se mu( ven a muy poca velocidad en el interior de un tubo de paredes lisas. Este tipo de e.W1JSor se utiliza. básicamente, para mezclar productos en ~olvo con agua, aplicar presión a la masa y darl'! forma al salir por la boquilla. Su principal utilidad es la elaboración de past,LS alimentIcias, salchichas y algunas pastas para confitería y pastelería.
2. E.tmtsort!s
M
calitnrt!
El calentamiento de la masa se produce, además de por la fricción generada por el taro nillo y el relieve interno der-cilindro durante el paso de la masa, mediante la aplicación de vapor de agua. Este vapor puede circular par el interior dd tomillo, por camisas que rodean el cuerpo del extrusor a inyectarse directamente en el cilindro. Ocasionalmente, la camisa se puede calt.ntar par inducción. Se :onsidera que el calentamiento en estos extrusores es del lipa HTST, con un tIempo de resideIlcia de unos pocas segundas a una alta temperatura (150-200 "C; figura 12.9). De esta forma, se consigue la mínima degradación quimica dI! 105 componentes del alimento. Las características del producea fina! varia· rán con la presión y el tipo de boquilla que se use. Si la presión es elevada y la boquilla peque~a, la presión descenderá rápidamente al salir el producto, ocasionando la rapida expansIón del vapor y de los gases contenidos en la masa. Se obtendrán, por lo tanto, productos muy expandidos y poco densos, pudiendo controlarse el grado de expansión con la pre-
de 10$ alimen/o$ y proce$O$
sión y la temperatura del proceso. Por el contrario, con presiones bajas y boquillas ar,chas las productos serán más densos. Éstos se pueden expandir, posteriormente, mediante la aplicación de calar (aire caliente, micraor das, fritura, tostado, etc.) que evaporará el agua residual.
3. E:.clrusort!! de tornillo único
El lOmillo puede ser una (¡nica pieza, ¡un· que normalmente consiste en un eje en el :¡ue se insertan secciones de tornillo con distitLtas configuraciones. aumentando así su versa:i1idad. Constan de tres seccionl!s: de alimenta· ción, de amasada y de medida. En la primera sección se recibe, transpcrta y mezcla la materia prima. En la dI! amasa·jo, la compresión del material aumenta can el diámetro del tornillo y la mayor parte de 13 en~r· gía mecánica se transforma en energía térmi,:a. Esta provoca un rápido aumento de la te :nperatura y la transformación de los ingredien . .tes granulares en una masa plástica continua. El grado de mezcla que se alcanza en estos ex· trusores es bastante baja, porque dentro del extrusor e:"Cistell. condiciones de flujo laminar. La sección de medida contribuye a que el flujo de salida sea homogéneo (para que el producto final tenga unas dimensiones uniformes), a ge· nerar la suficiente presión en el material y a forzar el paso de la masa plástica a través de la boquilla. Hay distintos tipos de e.~trusores segun lJ. in tensidad de la fuerza de cizalla: baja, moderada y elevada. Cuanto más intensa sea ésta (por mayor compresión y velocidad del torni· 110), menor será el contenido de humedad queha de tener la alimentación y mayor será la temperatura -máxima que alcance el producto. Los extrusores de baja fuerza de cizalla son adecuados para pasta y productos cárnicos; los de fuerza de cizalla moderada para proteína vegetal texturizada o alimt!ntos IMF para animales de compa~ía; mientras que los de fuerza
Capi/ulo 12: OperocioneJ de/ransformoción
de cizalla elevada son úrdes para apentivos y cereales de desayuno. Los extrusores de un unica tornillo son de manejo muy sencillo, pero tienen como incon· veOlentes no admitir un rango de tamaño va· riada en el materia! de partida, realizar una mezcla deficiente y na ser au!olimpiables.
4. E.tlrllJora de tornillos gemelos
Su mayor numero de aplicaciones hace que tengan más mterés que las anteriores. Los tornillos pueden tener varias configu. raciones. En primer lugar. por el sentido de fOlación : igual u opuesto. Segun esto, cambian las condiCiones de transporte y las aplicacio· nes tecnológicas, siendo los primeros más populares por tener mayor capacidad. Ambos ti· pos pueden, además, tener distinta disposición relativa: engranados total o parcialmente, o no engranados. Los tornillos que giran en [a misma djr~ci6n funcil)nan como bombas de desplazamientO posaivo y son muy adecuados para materiales muy viscosos, mientras que los que giran ea dirección opuesta son urdes para pastas de paca viscosidad, en las que In· teresa la generación de una presión más ele· vada. Estos extrusores, en comparación COD los de tornil!o úniCO, permiten manejar pr~t:.:1~! más diversos (aceilasos, pegajosos , =on ~yOf contenido de agua y con una distribuci6n de ta· mai\o miis variada), logran una mezcla más di· clente (y por lo tanto la transferencia de calor es mejor), sufren menos desgaste y son autotimpiables. Su coste econ6mico 1!5 mayor por su complejidad. Las apliCllctones de. la e~C'Q\. ~1\ 1.. (OOlbtna Alimentaria son muy diversas. La materia prima de panida suele consistir en hannas que contienen almidones y/o proteínas, a las que se añaden cantidades variables de grasas, azuca· res yagua. Entre Jos productos elaboradas can materias pomas con carbohldratos como com· ponente mayomario se encuentran:
329
a) Cert ales y den vados. La extruslón es UII!
par" la preparacIón de masa de panadeo
ría ) la elaboraCión de galleras, pan lastado, cereales de desayuno (tipo copos), apemivos ffltos y horneados y pasta. En el ca~;o de la pasta, la aplicación más ano tigua. se hace a baja temperatura « 50 ·C, ¡efrigerando si es necesaria) porque el principal objetivo de la extrusi6n. en este caso, es amasar y dar torma al produc!:.. b) Productos de confitena, en los que el al· mid{,n es el componente básico, como por I:Jemplo los caramelos masticables, el (ega lZ y [as gomas de mascar. Se oblÍenen :·or extruslón HTST a partir de una mezcla de glucosa y almidón. a la que se añadtn colorantes y sabonzantes. Los caramt los duros se elaboran a partir de a.zuc.1.r y Jarabe de maíz, formándose una masa homogénea sin cristales con un conlenido de agua muy bajo. La extruslón permite el procesado de azúcares can un bala cont~nido de agua y supone un gran ahorro energetlco con [es~cto a los mé· tod01 tradictonaks (evapo radores). Los productos proteicos. como surimi, salchi· chas. proteina textunzada (soja, suero de leche, caseínas), análogos de carne y alimentos para arumales de compaNa, normalmente requieren la aplicación de calor. Una de las áreas que tiene un gran potencial es la te.o;tunzactÓn de pratefna para obtener estructuras fibrosas simila/es a la carne. utilizando como materia prima la proce· dente de subproductos, de desechos de la industria tradicional, de nuevas especies agron6micas de cereales ,) de especies mfrauulizadas. k;.m..:;'.Je se h&f\mten~::.do citar las principales aplicaciones de la extrusión en la [nduS!rla Alimentaria, éstas son prácticamente innume· rabIes: elaboraCIón de chocolate, producción de aromas mediante caramelización o control de la reacción de Mai!lard entre azúcares y amlnoacidos, modificación de almidones. obtención de jarabes de almidón, etc.
330
TecnoIogio de los Alimenlol. (11 Componen/aJ de Jo¡ alimetllOJ y ~OC.JOJ
B) EfeclO tn los alimtnros
Una de las consecuencias mú importantes de la extrusión es e! marcado cambio de textu· ra que tiene lugar con respecto a la materia prima original. De hecho. éste es su principal objetivo. Cuando en la fonnulación hay azúcares y proteínas y se alcanu una temperatura elevada, se puede producir la reacción de Maillard. Esta reacción está favorecida porque la masa tiene un contenido de humedad intermedio. Habitualmente se observa una pérdida de color y de compuestos aro máticos y sápidos, ya sean naturales o al\adidos, por lo que en el último caso es conveniente añadirlos a los productos ya extruidos. El cambio en el valor nutritivo depende en gran medida de la severidad de! tratamiento. En general, mejora como consecuencIa de una mayor digestibilidad (por la gdalinización del almidón y la desnaturalización proteica) y de la ¡nactivación de factores aminutntivos pre· sentes en la materia prima (inhibidores de proteínasas en la proteína de soja, por ejemplo). Por otra parte , 1>1 canlldad de lisina dis· pon ible puede reduci rse como consecuencia de la reacción de Mai llard . Esto es especialmente importante en los cereales, en los que este aminoácido es limitante, habiéndose descrito pérdidas de huta el 50% . Las pérdidas de vitaminas, de forma simIlar a lo que ocurre en otros tratamientos en los que se aplica ca lor, dependerán del tipo de producto y de su contenido de humedad , así como de [as variables tiempo y tempe ra tura del proceso. La extrusión, a diferencia de la mayoría de las operaciones de transformación, aumenta la vida ütil de los productos porque tanto los ex· truid0'5 en frio como los extruidos en caliente tienen una Qw reducid:!.. La eX!rusió n con calor es un proceso HTST, inacl iv1ndose microor· ganismos y enzimas (como la urean de la soja) . Por esta razón se ha sugerido que las especias podrían eSlerihzarse mediante extrusión .
12.8. Operocionei de sepa ra ción En muchos procesos de la ¡ndWlria Ali · mentaria es necesario eliminar u obtener cier· tos componentes de las materias primas ali · mentarias, ya sean materiales sólidos, líquidos o gaseosos. Los procedimientos utilizados son, en general. ffsicos O qu(micos. Las principales operaciones de separación realizadas por medios físicos (gravedad, fuerus centrífugas o cln~ticas ) se indican en el cuadro 122. El tipo de separación depende , además del tipo de tuerta, de las caracteristicas de la fase a separar: tamaño, (onna y densidad para los sólidos; viscosidad y densidad para los fluidos . La hmpiell de la materia prima alimentaria tam o bi~n debe considerarse como una operación de separación, puesto que consiste en eliminar materiales extraflos de los alimentos. La separación por medios quimicos implica la utilización de compuestos que tengan una elevada a.finidad por el componente a obtener o eliminar.
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12 2
~"ncjpol.'OP*r~_"M
•• potOC,ÓII
boooda •• n melOdo, fi,ico1 o ".cón,co, . Material., O "'F"',ar s.,1.ccoOn. de .. ~coc>Ón.
_ro'" Hó'.......",'ón. c-.;..gaciÓII. íilttQC,ón I',..,oado tiqvida d• .olido C.~lrih"go<;ÍÓ
/2.8. /. 5e/ecciÓf¡ y cloJ¡ficoclÓf¡ La st/tCción consiste en dividir la materia prima alimentaria en grupos en función de alguna propiedad fisica (generalmente el tama ño, el peso, la forma o el COlor), mientras que la claJificoción lo hace según su calidad . El principal objetivo, en ambos casos, es ~gurar
Copitvlo /2: OpercciOfl.' d./rorl$Formoción
la uniformidad de los productos, bien para su venta O para su posterior procesado (trata· mientos térmicos. envasado. etc.): El equipo que se ha de emplear depende de Ia'.propiedild física en la que se basa la operación ;.de la na· turaleu de! alimento. El Ulm!¡ado o selección por tamaño penmte dividir una mez.cla de partfculas sólidas en dos. o más fracciones, con un tamaño medio de partí. cula más unifoone. Los !Qmlc~ o crIbas utihu· dos pueden ser de apertura fija o vanable y te· ner diversas configuraciones. Asi, hay tamices de superficies perforadas planas o cilindricas, con disposición horizontal o con una cierta IOch· nación. También existen dispositivos de barras, cintas, etc. Es habitual que los tamices tengan un movimiento vibratorio y/o rotllorio para evi· tar que Jas partículas bloqueen las aperturas y se agreguen entre sí o se adhieran a la criba. Otro de los crilerios habituales en la selección es la foona del producto, porque influye en su precio en el mercado y en la facilidad con que se llevarán a cabo otros procesos posteno· res (envasado, pelado, etc.) . En algunos casos (manzanas. peras) se realiza mediante inspec. ción visual, sirviendo como referencia un pa· trón de formas, mientras que en otros se hace mecanicamente con aparatos específicos. En la actualidad, para la selección por tamaño y forma cada vez son más habituales los sislemas de visión instrumentales acoplados a ordenadores, que tienen un rendimiento y una eficaCia superiores a los mttodos manuales. El peso permite una selección más exacta que el tamaño y suele ser una de las variables de mayor ¡nten!s en materias primas con un coste elevado (huevos, filetes de carne o pescad o, etc.). La selección por peso puede hace~e med!anle balanzas o, si se trala de materiales con distinla densidad, por aspiración o flotación. Esta operación también se lleva a cabo hoy día con sislemas automáticos controlados por ordenadores. El color es otro de los criterios utilizados pata la selección. En algunos alimentos (frutas y hortalizas, carnes frescas o productos hor-
331
neados y fritos) , el grado de madurez, los defectos superficiales o un tratamiento adecuado u: cortelacionan con la cantidaJ de luz reflejada en la superficie del alimento. La necesidad de una mayor consistencia. objetividad y velocidad en este tipo de separación ha determinado que la visión humana se haya reemplazado gradual. mente por colorímetros, esp~ctrofotómetros o fotocélulas, que actiVan sister.las de rechazo para los productos defectuosos. Es pOSible, incluso, Integrar SIStemas intelige'ltes de visión por ordenador que permiten la Interpretación de los datos recabados, de fonna similar a como 10 haña el cerebro humano, e Ircluso evaluar alnbutos no perceptibles por el hombre. La clasificacujft o separación de los altrnenlOS en funCión de su calidad requiere, a diferencia de las operaciones de se'ecci6n. la evaluación global del producto. Esta operación La realizan habitualmente operarios enHenados, que valoran al mismo ticunpo diversas características del producto Es así como se clasifican las canales, el pescado o los huevos. En algunos ca· sos puede requerir el aná[isi~ de [a composición química (por ejemplo, el contenido en hume· dad o en proteínas). El desarrollo de equipos especlal!zados. para mejorar la reproducibllidad y redUCir el coste de la operación manual. no es sencillo puesto que normalmente la calidad no es refleJO de una unica caracteristica. Sin embargo, se est:!. haciendo un esfuerzo notable en este :!.rea, intentando COrrelacionar la calidad de un produclo con un único indicador que se pueda medir instrumentalmente. Ésta es la filosofía de algunos métodos desarro!!ados reCIentemente, por ejemplo para determinar la cahdad de la came fresca y de los tejidos vegetales basándose en par:!.metros ultrasónicos (velocidad y atenuación del sonido).
/2.8.2. SedimenlociÓll La udimtrtlación permIte la separación de un sólido presenle en un fluido o de dos fluid05 inmiscib!e$ por medio de, tan sólo, la acción de
la fuerza de la gravedad. La velocidad a la que se produce la sedirntmación depende del tamaño de las partículas a de las gatas del fluida, la diferencia de densidades entre la partio:ula (o gala) y el fluido y IJi viscosidad de este Lltimo (ley de Stokes). La separación sólo tendrá lugar si las dIstintas fases difieren en cuanlo a su densidad. Esta operación generalmente req liere mucha tiempo, sobre todo si la diferencia de densidades entre las fases no es muy grande o SI eX1Sten otras fuerzas que mantengan nociados los componentes (por ejemplo, en las emulsiones). Para acelerar y mejorar la separación generalmeme se hace uso de fuerzas adicionales, como la centrífuga El equipo más corriente consiste en simples tanques de sedimenlación, cuyas dirrensiones han de ser adecuadas para permitir I.l separación de las dos fases. También es necesario controlar el flujo. que no ha de pertumar la se· dimentaciÓn de la fase más densa. Una de las principales aplicaciones en la Industria Alimentaria es la recuperación de finoJ Iras la deshidratación P.!Jr atomización o la molienda. Esto se lleva a cabo habitualmente en un ciclón (figura 12.10). Se: trata de una cámara cilíndrica vertical en la que d aire que contÍo!ne las partículas entra tangencialmeme por la parle superior y circula en espiral. Sobre las partículas se crean fuerzas centrífugas, que so! suman a las gravitatorias. aumentando notablemente la velocidad de sedimentación. El recorndo del aire en el clc16n es lo suficientemente largo pa· ra permitir la separación de las partículas de ~ LO ).1m de diámetro presentes en u~a cllmente de aire (o JOtas de liquides en gases). La sedImentación también es utd para la limpieza de la malena prima. la separaci6n de sólidos.en efluentes y la eliminación de polvo o partículas finas del aIre.
/28.3. Cent"Fugoción La cenm!14gación, al igual que la sedimentación. pc:rrmte separar sólidas de líquidos o li-
Aire
012
Aire
.~t--------1----+-~
linas
FIGUItA 12.1 O.
E~Guemo
de un ciclOn.
qUldos ¡nmiscib les. La diferencia consiste en que en este caso la separación se lleYa a cabo por la acción de fuerzas centrifugas que se genera n durante la rotación del material. En la práctica;.las fuerzas centrifugas son tan grandes que los erectos debidos a la fuerza de la gravedad, aunque presentes, se pueden despreciar. La intensidad de la fuerza centrifuga generada depende del rad10 y de la velocidad de rouClón, así como de la masa de la partrcula a se-
,
Capitulo 12: OperociOf!fU d. Irof!lFormcci6n
parar. La velocidad de separación dependerá de la velocidad de rotación y de las mismas va· riabl,~s indicadas para la sedimentaciÓIl.
A) E'7UipO y aplicaciones t/'lla [ndus/na A ;jmtnfaria
Una ctntrífuga consiste, e n esencia, en una cámara o recipiente cilindrico que gira alrede· dor d~ su eje vertical. Las formas básicas de es, tas cámaras, con dive rsos disposiuvos internos para ::"Iejorar la separación, se mueSlran en la figura 12.11. Al introducir una disolución con sÓlid('$ o una mezcla de dos líquidos inmiscI' bies, ¡... fraCCión más ligera permanecerá cerca de l ej.: de rotación, mientras que la más pesada se dingira a la penferia de la cámara por la acción de la fuerza cenlrifuga. El eqUIpo utilizado depende en gran medida de la aplicación a la ttUe se destina
a)
l. Separaci6n de líquidos mmiscibles
La centrifuga más sencilla para este pro!,ósito es la de cdmaf(1 fublllar (10 cm de diámetro y 75 cm de altura; 15.000-50.000 rpm). La di· menlación se ~eahla por la base, separándcse los dos líquidos en capas que tienen salidas m· dependientes por la pane superior. Aunq,Jc por su baJO rendimiento IlO son muy frecuentes en la Industna Alimentaria, se pueden ulili13 r para el refinado de ace ites comestibles (desg:>mado de aceite crudo, separación de jabon!s tras la neutralización o lavados posteriores) y la separación de sangre animal (plasma y h~· moglobma), Las Ctntrifl4gru di! ducos o p(atlllos consi~· len en una cámara cilíndrica (0,2-1,2 m de di.l· metro; 2.000-7.000 rpm) que contiene en su 111 terior un conjunto de ~uperficies metálicas "i· nicas que se conocen con el nombre de discos o platillos (0,3 mm de espesor), con urJa separa·
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33 J
e) Mumcamara
Ir
>:S::'>..J:
flGlJRA 12 11, Tipol b¿uicOI d. eomorol dI! eenrrífvgo.; oJ rubylor; b) de plOlíllcl o díleo,; y eJ mybc:imcro.
ción entre discos de 0,5-1,3 mm (figura 12.12) . Todos los discos tienen un orificio central, por donde se ensamblan en un eje hueco (por el que se introduce la alimentación en la cámara), y un conjunto de orificios coincidentes, que forman canales por donde fluye el líquido en sentido ascendente. Cuando un fluido entra en la
o
o
o
cámara por la parte inferior, la fase más densa" se desplaza hacia la pared de la cámara, mientras que la menos densa se dirige hacia los discos. En el interior de los discos, a su vez, la fase densa circula por la parte inferior de los discos hacia el exterior de la cámara, mientras que la ligera 10 hace por la parte superior de los dis·
Cal1ales de salida de líquido ligero
11-_+_deCanal central alimenlacÍÓl1 Canales de
ascanso de la alimenlaCión e) CimJlaclón del fluido ~n el inlerior' del paquele ~ discos
FIGURA 12. 12 . Cer'l~rífugo de di.l(o~ o plo~illoi: o) elquemo generol de lo centrífuga; b) detolle de un di.ICo; y cl esquemo de lo circulocion df!l Ruido en el interior del poquete de dilCOI .
Copirulo 12: Op.rociones d.lrcnÚOtmoc'ón
cos y hacia el centro (figura l2.12.e). La fun· ción de estos discos es dividir el liquido en capu muy delgadas. En estas capas, la distancia que han de recorrer las partíCJlas o las gotas de líquido inmiscible para una s
2. Separación de sólidos msolu.bles de f(qllidos
Se habla de c/arificarjón cuando el objetivo es eliminar por centnfugación concentraciones muy pequeñas de sólidos insolubles (3% p/p máximo: por ejemplo, en zumos de frutas, ex · tractos de caft o aceites) . Cuando la concentración de sólidos es mayor (~5-60/0 pip), se habla de uparación de lodos, SIendo necesario en este caso un mecanismo que permita la descarga de los sólidos rnsolubles, que se acumularán en la pared de la camara durante la operación. Para la cla rificaCIón son útiles tanto las centrifugas de cámara tubular como las de dlS' coso De hecho, es posible llevar a cabo la separación de liquidas inmiscibles y la clarificación en el mismo equipo Para grandes volúmenes de líquido que contengan una peq ueña cantidad de sólidos de fáci l sedimentación son más adecuadas las cemrifu.gas de cámara sóli· da . Éstas son cámaras cilíndricas sencillas (0,6·1 m de diámetro) de operación dlsconli nua, durante la cual se forma una lorla de 5Ó ' ILdos en su pared. Para clarificar líquidos que tengan un mayor contemdo en sólidos (hasta un 6% plp) existen distintos tipos de centrílugas que permiten una descarga continua o intermitente y, por 10 tan 10, son de operación continua. Se trata de las clntdfugas de descaro ga por boqllllla (figura 12.13 .a) y par válvula,
335
teniendo estas últimas dispositivos de apertu. ra automática. La clarificación se realiza con mucha freo
cuencia en la Industria Alimentaria: en la industria láctea para la separación de leche, ma· zada y suero; en el refinado del aceite para el desgomado; para la clarificación de zumos y vi· nos; en cef"'leceria para recuperación de leva· duras y clarificaciÓn de la cerveza; para elimi· nar el agua de los almidones de maíz, trigo y centeno, etc. Cua ndo el conteOldo en sólidos es mucbo mayor (hasta un 50% de sólidos), o si éstos se· dlmentan muy rápidamente, se hace uso de las ctnrrífu.gas de climara y uansportador (figura lZ.lJ.b), en las que la cámara (0,15·137 m de dIámetro, 1.600-8.500 rpm) y un torrullo sinfín interior giran en la misma dirección. El tomillo al girar arrastra los sólidos, que se descargan por el e.'(tremo opuestO al de salida del líquido. El número de usos d_e este tipo de centrlfugas ha aumentado mucho en los últimos años. Se utilizan para la recuperación de prote[nas ani· males y vegetales (caseínas y prOle!na de soja), la eliminaCIón de lodos de aceites de pescado, la separacIón de grasa de carne picada, el des· huesado de carne, la clarificaciÓn del sebo, la extracción de aceite de oliva, etc. Algunas centrífugas tienen un diseño espe· cial pa ra separar sólidos insolubles de liquidos mediante filtración. En estos equipos el flujo del filtrado se induce por fuerzas centrífugas. La materia prima consiste en una suspensión de partículas sólidas relativamente grandes o pro· duetos cristalmos que forman tortas porosas a través de las cuales pasa el filtrado . Estas centrí· fugas se utilizan para la recuperación, lavado y secado de cristales de azúcar, la .separación de la pulpa y el zumo en frulas y la eliminación de cristales en la concentración por congelación .
/2.8.4. f illrocian
La filtrac¡ón separa sólidos de liquidos. ha· ciendo pasar el fluido que contiene las panícu·
¡:::::==~tll'===¡=...... ,"....... I I
~I~ 01~
I
"" Salod, de
sOlIdos
Tomllo sin!in
Salida
~.Iiquido
FIGUt.t. 12.1 J. Elqu.ma de: el centrifugo de descargo por boquilla; y b) «nr,:fuge de cornero y tronsportadO<'.
las en suspensión (papilla de alimentación) a través de un medIO poroso (medio de filfra. ción) (figura 12.14). El [amaño de pOlO del medio de filtraclón ha de ser lo suficlen¡emenlc pequei\o para retener en su inlenor o en su SU~ perficie lás part(culas sólidas (forra de fi/ml.· c¡ón), puo lo suficienu:mente grande para dejar pasar a su trav.és cllfqUldo (Jillrado). DefKndiendo del caso. el producto deseado puede su el filtrado, como en la clarificación de algunos zumos de frutas o de ce !'Ven, la torta ,
en cuyo caso es necesario lavarla, secarla y separarla del medio de filtraCión, como en la recu~ració n de levaduras de los ¡aoques de fermentación; o ambos. La eliminaCIón de partíc.ulas muy finas « 1 ¡lm) , microfiltr,lC!6f1. requiere el usa de ~branas con penneabilidad !electiva y se desarrolla en e! !lguienle apartado. En la filtración tn Juptrficit, 10$ sólidos suspendidos quedan retenidos en la superficie de! medio filtrante (figura 12.l4.a). El flujo llega a detenerse c.uando los sólidos c.ubren sus poros.
Coplilla /2: Op4trocior'leJ d. IronlformociÓ<'l
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b) Ftlrraci6n
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proluncfdad
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Filtrado
rlGUIA 12.1 4. Esquema de: o) filtración en superficie; y b) filtroc;iofl en prolun
Si los sólidos no se adhieren a esa superficie, lo~ fillrOs se pueden regenerar medianle lavado ea la dirección opuesta al flujo. En cambio, en la fifrraclón. el! profundidad los sólidos-penctran ca el ¡ntenor del medio fUtralllc. con el cual suelen interaccionar por atraCCIón electrostática (figura 12.14.b). En este caso los potDli !legan a obstruirse y el flujo se denene, momemo en el cual es necesario cambIa! el filtro. Por lo lanto, este tipO de fillración no será ade-
337
cuado si la concentración de sólidos suspendi. dos es muy c:levada. Para vencer la resistencia q ue presenta c:I medio filtrante al paso del fluido, y la debida a los sólidos que se van acumulando progresiva· mente en el medio de filtración, es necesario que opere alguna fuerza motriz. ~sta podría ser tan sólo la fue rza de la gravedad. Sin em· bargo, no sena adecuado en la InduslTia Ali· mentaria porque sólo servicia paca papillas de alimentación con un contenido muy bajo de só· lidos. Además, el flujo del fihrado llegaría a ser muy lento. Se emplea, en cambio, en el trata· miento de aguas para sumInistro público y para d filtrado de aguas residuales. Para {acihtar y aumentar la velocidad de fiI· tración se pueden emp lear varias estrate:gias: e:jercer sobre: la papilla de alime:ntación una presión supenor a la atmosf¿nca (filtro.ción a prtSlón), crear vacio en el OICO lado de la memo brana para favorecer el paso del filtrado (filtración a vo.c(o) o aplicar fuerzas ce:ntrifugas (fil. tración ctntrifi¡ga). En la filtración en superficie, los medios de filtración tIenen como principal {unción promover la foonación de una tona de sólidos y conservarla una vez que se ha !onnado. Es decir, no deben ofrece:r una elevada resistencia al nUlO, han de ser resistentes a las condiCIones de la operación (presión o vacío), facililar la e.~lfacción de la torta para su limpieza. estar fabricados con materiales compatibles con los alimentos y DO contener sustanctas tóxicas. Cno de los parámetros más imponantes de los medios de filtración es ellamaño de poro, que depe:nderá de cada caso concreto. En general. pueden ser rígidos (carbón poroso, porcelana. placas metálicas perforadas. rejillas de hilo, erc., en distintas configuraciones) O flexibles (polimeros smléucos como nilón, pol¡propile00, polielile:no, elc.). Cuando los sólidos son muy finos o generan toncu de filtración compresibles se uliLizan co· udyl.ltltltlltS dI! filtración para e:vitar la obturacIón; 'Kln panículas sóhdas grandes no compresibles que forman una tOrta de ft.!tración muy
338
T.cnoIogio de ku AlimenloJ.
ro Componw1les de los climenfOl y proceWJ
porosa sobre el medio filtr¡.nle, actuando real· mente como el medio de filtración. Entre los más fre.::uenlCS estAn l~ tierra de diatomeas y la perlila (un silicato crutalino).
.)
liquido de
""""""'"
A) Equipo y aplicaciones en ID IndUStrio. Afilr.ellltJri.o
Los filtroJ constan de un medio de fillra, ción, un sopone mecánico para eSIe medio, dis· positivos parl extraer la torta, conduclos o ca· nales para introducir la papilla de alimentación y para la salida del filtrada, tanques o depósl' tos (para [a papilla de alimenlación, el filtrado y el liquido de lavado) y medios para producir el flujo del filtrado. Según estos medios. los filtn',,' pueden ser de dos tipos básicos: filtros de presión y filtros de vado. En los filfroJ de presión. ésta se consigue con bombas centrifugas que generan presiones entre 276 y 621 k.Pa. Uno de los tlp0"5 más habi· tuales es el filtro prenJa O de pruión dt placa verrical (figurilI2.15.a). Tienen como elemenlo básico unas placas acanaladas verticales en las que se dispone el medio de filt ración (tela o papel) '! mar~os huecos. adosados hermética· mente. La papilla de alimentación pasa al cenIro de! marco, quedando los sólidos retenidos en el medio de filtración y pasando el filtrado a Itavés de eSle medio hacia la placa acanalada, desde donde sale al exterior. Este equipo tiene un coste bajo, es bastante flexible y de !ác¡] mantenimiento, pero requiere mucha mano de obra. Tiene su pnnclpal aplicación en la pro· ducción de zumo de manzana y sidra. Los Ji/trOJ de vado son de mayor coste y la máxima diferencia de presión que alcanzan es de 100 k.Pa. PermIten la operación en continuo porque la torta se encuentra a presión atmosfé· rica y se elimina co'n más facilidad, a diferencia de los anteriores. No son ¡decu¡dos para el procesado de materia les volátiles o calientes. Los más comunes son los filtros de VClcío de tambor rO/CI/orio (figura 12.15.b) . Consisten en un cilindro giratorio que está div+dido interna·
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"'"",,,j, ... " b)
F~1tA 12 .1 5 Principales &quipo! empleado! pero lo tilrrociól'l el'l lo Industrio Alimentario: o) fillro de
preJión de placo vertical; y b) filtro de vocio de tambor rotOJorio; V: sección con vocio; P: Jección con ptes,ón.
mente en secciones y rodeado completamente de medio de filtraciÓn. Cuando una secciÓn es· tá sumergida en el líquido de alimentación. se aphca I/acio y el filtrado pasa a través del me· dio de fi ltración haCIa el eje central del tambor. Al salir del lanque y mantenerse el vacío. la torta queda libre de fil trado. Antes de in lrodu· cirse de nuevo en el tanque, el compartimen to se desconecta de la bomba de vacío y se lanza un chorro de aire comprimido para liberar la lona. ~sta se separa completamente por medio de una cuchilla rascadora. antes de volver a ini · ciar el ciclo.
CapíN!a 12: Opero.:iollfl$ de IroflJFormoción
Los filtros de vaefo se emplean para la recu+ peración de los precipitados de lactalbúmina y de jugo de caña durante su extracción, el refinado de aceites, la filt ración dé suspensiones de gluten y almidón y la clarificaCión de diversos alimentos líquidos (cerveza, zumos de frutas, vinagre, extractos de carne y levadura, aceites de mesa, salmueras, etc.) .
12.8.5. Prensado o e.strv¡"amiento El prefLSado o escrujamien/o consiste en la separación de líquidos que están contenidos en productos sólidas, mediante fuerzas de compresión. Se utiliza para la obtención de aceites y zumos de frutas que se encuentran en estructuras celulares y que es necesario romper para la liberación de los compuestOs de interés. Para aumentar el rendimiento, a menuda se combina con una operación de reducción de tamaña o un ligera calentamiento. En algunas casos el residuo sólido de la operación tiene inter~s para uso en alimentación animal o para la obtención de proteína que puede ser utilizada como suplementa nutritivo en alimentación humana (por ejemplo, proteína de soja). En este último caso es crítico evitar la desnaturalización de las proteínas, par lo que el prensado es una alternativa adecuada a los m~todos tradicionales de extracción de aceites con disolventes. Además, se evita el peligra que supone la presencia de estos disolventes en el residuo sólida. Las prensas de operación discontinua, que son básicamente prensas hidráulicas, se utilizan en la elaboración de quesos, para el desuerado de la cuajada en las cubas o en las moldes y en el procesado de zumos de frutas. En la actuali dad, y en algunos casos, han sida sustituidas par otras de funcionamiento continuo, en las que se reducen considerablemente los elevados costes asociados con la mana de obra. Entre estas ultimas cabe destacar la prenJa dr: rodillos, en la que el producto se somete a grandes fuerzas de compresión al pasar entre dos pesados rodillos, muy frecuentes en la ex-
339
tracción de jugo de la caña de azucaro Las pmtsas de comilla, también conocidas coma expul. sarr:s, consisten en robustos cilindros metálicos con un tomiUo helicoidaJ de acero en su interior. Este tomillo tiene un pasa de rosca decreciente, ilum~ntando p'rogresivamente la compresión sobre la toTta e incrementando el rendimiento. Son útiles para la obtención de aceites porque el calor generado reduce su viscosidad. Para materiales sensibles al calor, como los zumos de frutas, pueden estar refrigerados internar,¡ente.
12.8.6. Separación coo membranas Las oper3ciones de separación con membrana sirven para concentrar o fraa:ionar un líquido, olxeniéndose dos soluciones de distinta composición. Se basan en la permeabilidad selectiva, a trav~s de una membrana, de uno o más de los constituyentes. Las mol~culas de ta maño inferior al del poro de la membrana pa . san a su traV~s, mientras que las de tamaño superior quedan retenidas por efecto tamiz o por tuerzas repulsivas de la superficie de la membrana. La alimentación se separa, por lo tanto, en dos corr;entes: el fluido que atraviesa la membrana, denominado filtrado o pr:rmeado, y el que permanece en el lada de la alimentación o concenrrado (también llamado recencalO o retenido), que contiene los salutes o sólidos suspendidos qut! han sido rechazadas por la membrana (figura 12.16.a). Se induyen aquf un conjunto de métodos de separación relativamente nuevos que tienen cada vez mayor aceptación en la Industria Alimentaria parque permiten realizar, al mismo tiempo, la concentración, el fraccionamiento y la purificación de diversos productos. Las principales ventajas de la s~paración can membranas respecto a otros métodos convencionales son: a) Para la concentración no se requiere un
cambio de fase del agua, a diferencia de
lKnoIogia de 10$ AJime 1/0$.
340
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PI(¡Ti"~do (MfI(j"J
FIGUIA 12.1 6. EJq\lemo de lo lepo.rociÓn con mem· brenel; 01 convllncionol. con Aujo perpendicu!or, y b) con Rujo tangencial.
la evaporación o la concentración por congelación. Par lo lanto, t:! gasto energético de operación es menor. b) La modificación orgaooleplLca y Qutntlva de los productos es mínima, porque no se aplica calor, 10 que se traduce en productO! de gr:lIl calidad. e) Son de fácil instalación y operación.
lo. alimentos y
prOC!fSOJ
Entre las pnnclpales desventajas pueden ci· tarse la limitación en cuantO a la materia a tratar, que debe ser una soluclón diluida con un baJO contenido en sólidos, y en cuanto ·al yado de concentración alcanzado, ya que no pueden obtenerse productos completamente secos. Además, tienen un mayor CMle capital y variaciones en la velocidad del flujo. Los mecanismos que gobIernan el transporte de masa en este tipo de separación wn complej05 y dependen del upo de membrana (tamaño medio y rango de distnbución del lamai\o de poro, espesor, comp03ición e interaCCIón química con el liquido de alimentación), la presión, la temperatura y la velocIdad de Dujo de la alimenlaCiÓn. Para eslablecer el flUJO a ¡ravés de la membrana, e incluso a u-avés de la capa de malerial que se depasila sobre la membrana durante la 51tración, es necesarlO ejercer una preSIón. En al· gun05 casos existen fuerza.! adicionales que favoreceo el flujo, derivadas de los gradientes de conccnu-ación o gradientes de palencial el«trico. Entre [as principales opefacionc~ de separación con membrana, atendiendo al tamaño y ·p~so molecular de los compuestOs separados (figura 12.17), y feniendo en cuenta que no es posibk hacer divisio nes ¡ajan tes entre ellos, pueden citane: a) La microfif¡raciófI (MF) implica el uso
de membranas con un tamaño de poro de 0,2-10 Jlm. Separa selectivamente panículas con peso molecular superior a 200 leDa, es decir, bacteria!, mohos, le· vaduras. grasa emulsionada o almidón. La presión aplicada es relativamente baja y los ¡lujos son aliaS. b) La u/uo!i{rraciótl (UF) reqUiere membranas con un la maño de poro inferior (1 nm-O,2 )lm). Penrute separar partículas y molécú!as en el rango de 1-200 kDa (proreinas, ¡virus, coloides. polisacáridos), operando a una presión de < 1.000 "-Pa (figura. 12.18 a). cJ La tlanoji{(7QcIÓtl (NF) separa partículas con pesos moleculares en el rango de
Capítulo / 2: OperacioneJ d. Iransformación
341
(~)
10000 _
EnUooto
_ C6iu1a caneetOsa _ ~CC/laromyc'$
5.000 2.000 .000
_
ClO$/ridium $p ,
_
HemoglooinOl
_
Virus de la polio
_
Hemoglol:Hna
_
P'P$IIlOl
500 200
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2 _lIitamna B'2 _~tOsa
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L-.JO.' FIGlJI'" 12,17 , E¡.quema d. las principal.s aperociOl1es d. sapo/ación poi' membrana legún ti 'Qmoña d. porticula.
:;00...1.000 Da, permitiendo eliminar iones dependiendo de 5U carga y 5115 caracterisueas de difusión,
d) La ó.JmoJI.s inversa (01) o hiperfilrrClción retiene mol(!!culas con un tamaño inferior a 1 run (unos 100 Da). Las presiones
11) Ultnfiltr.lCÍÓll
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Presión > Pttosión
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FIGUIA 12. t 8. E$()¡u.mo de lo seporociOn por: o) ullrolil~rodOrl ; y bj osmOlis i n~t{so .
empleadas, 5-10 veces superiores a las de la ultrafittración, son necesarias para superar el aumento de la presión osmótica en el concentrado. Las moléculas de agua pasan de una solución concentrada (alimentación) a una solución diluida (permeJldo) (figura 12.18.b). e) La diofillfoción (DF) tiene como propó· sito mejorar la recuperación de solutos
penneables en la ultrafiltración o la mi· crofiltración . Consi$le b.bicamenle en diluir el concentrado, generalmente con agua, mientras se efectúa la separación y proseguir hasta lograr una eliminación satisfactoria del soluto. En la microfiltración y la uluafiltración se membranas que separan los distintos $0 '
usan
CapilVlo /2: Operocione. de /ron.lormociOn [utas basándose en un simple mecanismo de tamiz, según su tamaño de porn. La relación existente entre las dimensiones de la·partícula y la distribución del tamano de poro efe la membrana detennina si esa partícula la amiviesa o no. La ósmosis inversa y la pervaporaclón pueden separar especies moleculares con un tama"-o comparable, como por ejemplo, agua y cloruro sódico; la separación se debe a un mecanismo distmto al de la simple filt raCIón. En estos casos es tunda mental la afmidad entre la membrana y el so[uto, actuando la membrana como un medio de extracción del so[uto: los compuestos con mayor afinidad por el matenal de la membrana se disuelven más fácilmente en ella que otros componentes. La fuena conductora de la separación es la dIferencia entre los coeficientes de ditusión de [os distintos solutos a través de la membrana. La diá/uu consiste simplemente en la difusión de un soluto a través de una membrana, • siendo la fuerza conductora el gradiente de concentración. También utilita membranas se· mipenneables, aunque, a diferencia de los anteriores, no requiere presión La dectrodiálisis, que tiene un interés creciente, se basa en el em-
pleo de membranas con carga eléctrica (de intercambio iónico) en las que la migración de solutos a través de ellas se acelera con un c:.a.mpo eléClrico (figura 12.19) . Estas membranas de intercambio aniónico y catiónico para la electrodi'lisis tienen un tamal'lo de poro muy pe_ quel'lo (1-2 nm); algunas discriminan, incluso, entre iones mono- y polivalentes. La ptrvaporaciól1 es otra open.ción de separación can membrana en la que una mezcla líquida se separa (a través de una membrana permeable no porosa), por evaporación parcial de un compuesto, obteméndose un concentrado liqUIdo y un permeado en estado de vapor (figura 12.20). La tuerza conductora para la separación es el gradiente del potencial químico que se establece al existir una dlrerencia en la presión parcial del soluto a través de la membrana. Esta diferencia en la presión parcial a ambos lados de la membrana se consigue redu· ciendo la presión total en dIado del penneado mediante un condensador y una bomba de vado o por arrastre con un gas inene. Uno de 105 prinCipales problemas que exil' ten en la separación con membranas es la re· ducción del flu jo, como resultado de distintos
PRXlUCIO desali"lludo
I Sales I.J-===='¡j(é.~~¡o====v==~- concerllradas
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F~A
12. 19.
f~uefn(]
343
de uno unidod de el«trodiá!i,i, A.
m~bJono
cambio amonica; S, membrana de inlercomboo (0110,""(0; k, on'Oo;
de inter·
e-, eOliOo
344
recnoJogía d" len AlimentOJ, (IJ Componen,e,_ de lo, alimenta, y prOC"JoJ
aJ PervaporaGión e vado Liquido de
Salida tU, Ifquido
alimentación
trat~ ,:lo
Membrana ermeabje 00 pornsa (vacio)
Permeado (vapor) Conde
-
Parmeado
(líquido)
al PlJrvaporación por amllilre con gas inerte UqulOo d
Salida dllli~uido
" - ¡-
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Membrana permeaOle 1"10 porosa
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Pel'1'Tl6ado (vapor)
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•
Gas inerte
Condgdor
y fiGURA 12.20. EJquema de la pervop-arodón: o) a vodo; y b) par arrOJlr!! CCt"l Un gas inerte. '~nómenos
entre los que pueden citarse la :ompactación de las membranas, la polarizaión por concentración y el embotamiento. Durante ia filtración. a nivel molecular, umerlta la concentración de solutas y molécu· IS retenidas en la proximidad de la membrana ;apa polarizada). Esto es lo que se conoce coa polariz.ación por concentración (figura ~.16.a). Tiene como consecuencia una rápida
reducción de la velocidad del flujo, porque esta capa supone una resistencia adicional al flujo del soluto a través de la membrana por aumento de la viscosidild y de la presión osmótica. La concentración de sal utas, especialmente de proteínas, en la proximidad de la membrana puede alcanzar valores tan elevados que se llega a formar una capa de gel, fenómeno que se denomma embOlamienco. Este embotamiento
Copilulo /2 OperociOll.J d. tamo:én puede deberse a la adsorcion de proternas y consiguiente bloqueo de los poros El problema puede empeorar si 10$ geJe:. son compresibles y se ¡ncremenla la presión con el propósito de aumentar el flujo . Mientras que la polarización por concentración suele ser rever· slble, el embotamIento es Irreversible. Aunque estos fen ómenos son ino.:vitables, sus efectos se pueden reducir notablemente va· riando la configuración y el diseño de la membranas, la-dinámica del fluido (favorc(lcndo un fl ujo turbulento. por ejemplo, disminuye el espesor de la capa pola nzada) e tnt!oduciendo espaciadores o estructuras abiertas que separen las membranas en los módulos. El desarrollo de ¡;sumas dt. flulo langt.n cia/ (figura 12.16.b) hIZO pos\ble la implantación i ldumial a gran escala dt. estas operaciones de membrana en los años setenta. En la filtración ,:.:>n flUJO tangencial. la alimentación fluye a más velOCIdad y paralelamente a la membrana. redUCIendo o impidiendo en gran medida la a~umula ción de solutos o partículas en su supen!cl/!. Gen/!ralmente se combina con lavados penódicos, invirtl/!ndo la dIreCCión del tluJ o. con lo cual las partículas más fuertemente adh/!ridas se separan de la superfiCIe de la membrana. Las membranas se pueden conSIderar como barreras imperfectas que controlan el transporte de matena entre dos fases O sistemas. Las propiedades de las membranas que delermlOan la separación que tendrá lugar son: su cí1¡=acidad de Irans[erenCla de masa. su permeabIlidad o velocidad de transporte de un compuesto a $U travl!:s y su selectIvidad para discriminar dife rentes partículas o moléculas. En cuanto a su morfologia, pued!n ser homogéneas y heterogéneas (figura U.21). Las membran..u honwgbte,u o If1.it:ro(Wf"....a :ienen la misma composición en todo su espesor y poros de tamaño unilorme que la atravieun completamente. Las membranas hell!fogintas o asi· mÜflcar estín compuesliu de una fina capa (0.1- 1,5 fJm) de un material poliménco denso con permeabilidad selectiva, que es donde real mente se efectúa la separacIón; esta capa está
bJ
HfIt.rog"'~
IrOnJ/orn,cciÓII
3.45
o .,Jm41rw;. M."ri&I COI! pemlublid.ld
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Sopane mecinlco
ÑGuu, 12 21. Tipos d. rrembrolWl lesún IIJ motb logio: el homosenea o microporosa: y b) heteros. neo a asome/rico.
fijada a un soporte mecámco muy poroso, con un espesor total de 0,1·0.2 mm.
Respecto a los materiales, las primeras membranas de acetato de celulosa dieron paso rápidamente a las de polisullona, por su mayor estabilidad química y termica y resistencia me· canica. Actualmente se fabrican a partir de polímeros orgánicos (poliamldas, polie$tireno. poiiéteres. policarbonato. etc.), cerámicas o minerales depositados en un soporte cerámico o inerte (carblda de silicona, ó ~ido de aluminio, ó~ldo de ¿ireonio. grafito o acero inoxidable). E~ mauma,el> ampnan las posibilidades de aplicación de [a separación por memb ra nas, al ser esterilizables con vapor de agua, tolerar un amplio rango de pH y temperaturas y poseer una resistencia mecánica considerable. Este ú[tlmo es un requerimiento importante pan aquellas membranas que van a ser sometidas a elevada presión . También hay que tener en
cuenta que en la Industria Alimentaria las membranas hAn de 5Oponar lou operaClooes de tinlpieza y desinlecdóll..
A) Equipo y aplicaciollt!S tille. Illdustria AlimtflUlria
Existen diferentes configuraciones para contener y dar soporte a las membranas (figura 12.22): 1. EltmtJ1tos tubulares
Consisten en cilindros metálicos perforados (lj·25 mm de diámetro, 1,5-6 m de longitud) re· cubiertos internamente por la membrana y con· ten.idos, I su vez, en una carcasa metálica de ma· yor tamafto (de forma similar a un intercambia· dar de calor de tubos) (figura 12.22.a) . El líquido de alimentación pilSl por ti interiOr de los tubos recubiertos por membrana, saliendo el filtrado ~ialmel1te al espacio entre los tubos y de ahí, por un conducto cornun, al exterior 2. Plllcas 1 mllfCOS
Están compuestos de membranas de lámina plana empaquetadas de forma alterna con pla. cas porosas de soporte que proporcionan una separación de 0,5·1 mm (figura 12.22.b). La ali· mentación se divide para fluir en serie por el es· pacio existente entre las membranas. El permeado fluye por los canales de drenaje a los conduclOS de salXla de las placas de soporte. 3. Carruchos espira/es San una variación de los anteriores, en los que las hojas de membrana están enrolladas en espiral (figura 12.22.~) . La configuración más habitual en la industria es la disposición de va· rias capas de membrana, materia! de 50porte y material espaciador alrededor de un tubo perlorado, donde se recoge el permeado, estando todo ello en ti interior de una carcasa. El liqui ·
do de atimentación entra en el cartucho y fluye tangencialmente a lo largo de la membrana. El penneado pasa al tubo central, deseugándose en el otro extrema. Los espaciadores favorecen el flujo turbulento. 4. Fibro hueco
Consisten en cartuchos que contienen cientos de fibras de peque~o ditmetro dispuestos longitudinalmente (figura 12.22.d). Se consIgue así una gran superficie de membrana en un pequeño yolumen. Para la microfihnción y la ultra filtración, el di'melro de las fibras es de 0,5-1 mm; el líquido de alimentaciÓn fluye por el interior de las fibras y el permeado sale al exterior. Para la ósmosis inversa, su aplicaCIón más importante, las fibras son incluso más delgadas (40 ¡.¡m) y la alimentación fluye ror el exterior de las fibras, recogiéndose el pérmeado de su interior. Esta última configuración llene un alto riesgo de embotamiento. 5. Cartuchos pltgados Son utiles para dIsoluciones con una baja concentración de solutos {figura 12.22.e}. Se trata de una membrana plana que simplemente está plegada para aumentar su área y dispuesta alrededor de un tubo hueco poroso. Todos estos sistemas, aunque con diferente configuración, son muy similares en cuanto a funcionamiento . E l Uquido de alimenlación, procedente de un lanque de almacenamIento, es impulsado a presión mediante una bomba a un numero adecuado de módulos de membrana para obtener la separación deseada. Aunque los sistemas podrían ser de un solo paso, la superficie de membrana necesaria para que tuviese lugar la separaci6n sería muy grande. Para reducir el área de membrana es corriente implantar sistemas de reclrculación, hasta obtener la concentración deseada, o varias eta pas de separación . En común con todos los equipos de procesado de .Iimentos, se requie -
Cop;lulo : 2; Op.rocion,u d. trorulormociOr!
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IIquódo
Entrada de IIquódo
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lil FiGUI ... 12.22 . Conflguro<:ionel de iol !MmbronOl empjeodoi en lo Induwio Alimenrcrio : di libro hveea; '1 e) eortu-
o) elementol I\Ibulorel; bJ placos '1 morcoI; el eorrvclo.o upirol, chol plegodol.
re un diseño higIénico '1 la posibilidad de limpieza in Ji/u . La industria donde las operaciones de separación con membrana eSlán mis arraigadas es la láClea, porque permiten procesar y aprovechar dos subproduclos que se generan en grandes canlidades: el suero de quesería y la leche
desnatada. El primero normalmente se desechaba, a pesar de la contaminaci ón que ello supone, mientras que el segundo se utilizaba para alimentación animal o para oblener leche en polvo desnalada (por evaporación y deshidratación) para la elaboración de helados, productos de confiteria, etc.
348
recnologio del", Alim.nIOJ. (11 Comp",,,wles de /oJ climenlcJ y prlXeSOI d) La nanoCiltradón permite la separación
A continuación SI: describen los principales usos de la scparacióu por membrana en la industria láctea:
y concentración simultánea de rrunerales y ácidos del suero. t) La electrodiálisis tambi!!n es útil para la desmineralización de suero, suponiendo una ventaja frente a la ósmosis inversa porque no modifica su color, ~bor y aroma.
a) La microfiltral:ión perm1te eh minar las c!!!ulas somátl::as y reducir sustancial-
mente la carga de microorganismos. Sin embargo, no se puede considerar una alternativa muy eficaz a la pasteriza· ciÓn. b) La u[traCiltración se emplea principal· mente para: cC':tcen!rar [ech<: entera o desnatada destinada a la elaboraCión de queso, incorporando asi a la cuajada proteínas de! suew, mlnera[es y vitaminas, que habilualme,te se pierden, fraCCIOnar y concentrar e[ 5u<:ro de quesería, obteni!!ndose conc(nlrados de proteína de suero con 35·8C% de proteína, con propiedades funcicnales adecuadas para muy diversas aplicaciones; o eliminar se· lectivamente sal-!s y lactosa. e) La ósmosis inversa tiene una utilidad más limitada, destacll.;1do la concentración de leche entera o desnatada, anles de la evaporación o de la fermentación para obtener queso y yosur, y de mazada así como [a desmineralizaCión y la recuperación de lactosa del suero de queseria.
En el cuad ro 12.3 se muestran diversas aplicacIones de las operaciones de separación COII membranas en otro tipo de industrias. Otro área donde tienen gran importancia es en tI de la biotecnología, para la purificación de enzimas extra idas de tejidos animales o vegetales y de microorganismos, la recuperación de microorg3.nismos, la separación y concentración de los prod uctos de las fermenucionts y de las reacciones enzimáticas (vinagre, goma xantano. etc.). las membranas también sirven de so· porte para enzimas y c!!lulas inmovilizadas. Cabe destacar que el uso de [as membranas en el procesado de [os alimenros está aumentando notablemente. Las primeras aplicaciones. re!ativament
Tipo d... paroctOt." -~".rih~"
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Capillllo 12 · O~rocioMJ d. frOl'lJ/Ot'mac:iÓtl
¡ 2_8.7. éxJrocción
te, que requiere e ue ambos contacten durante un liempo adecuado.
La utracci6n se define como la ope ración unitaria por la cual un componente de un alimento se separa o elimina medianle el contactO con Otro material o fase, que tiene mayor afinidad por él; el resto de los componentes, en cambio, permanecen en c:I alimento. Esta separación implica, por lo lanto, la existencia de dos fases, siendo el disolvente aquella que se añade al material onginal. Las dos tases pueden ser un sólido y un liquido, dos liquidos inmiscibles o un sólido o líquido y un ~J.s: ésta es_ además, la base de la cluificadón de [as operaciones de cxuacclón La e'ttracción requiere tres pasos JuceS/vo~ : la mezcla de [a materia prima con el disolvente. la separación de las dos fases despues del contacto y la eliminación dc:l saluto contenido en el disolvente La eficacia de la recuperación del disolvente , si su coste es elevado_ determinará la viabilidad eCODómlC3 de lao~nción ,
En la extrJ.cClón se han de gUientes fenómenos físicos:
349
consld~rar
los SI-
a) La difusión del compuesto de interes des-
de el interior de la materia pnma hasta su supertlCie y, de aquí, hacia el grueso de la fase del disolvente Para dio es neceJano que, previamente, el disolvente penetre: en e[ Interior de la materia pnma para arrutrar dicho componente Su velocidad de difusión delenmnará el tiempo necesario para que se alcance el equilibrio entre las dos fases. b) La solubilidad del soluto que se desea extraer en el disolvente utiliudo_ Dado ql,i~.la minm.t ~(')m:en[rJclór. posible en el extracto final es la de saturacl6n del soluto, cuanto mayor sea ésta me nor sera el nümero de Ciclos necesarios para lograr el grado de separación deseado. c) El equilibrio de la concentración del soluto en la materia pnma y en el disolven-
El principal tactor ql:e controla la extracci6n es la velocidad a la que un componente (soluto) se tra~fiere desd e la rase tratada (materia prima sólida o líquida) a la fase disolvente Esta velocidad depende del coeficiente de transferencia de masa, el cual varia con las condiciones de operación, aSl como con las propiedades de la materia prima, de! saluto en cuestión y de! disolvente. OtTOS factores que afectan a la velocidad de extracci6n son: a) El área de expos¡ci~ o grado de contac-
to de la materia prima con e! diso!vento: y la profundidad d! penetracl6n de este ultimo. La reduccic.n dellamarlo de partícula faCilita la ex;,acción, al aumentar e! área de exposici6n y disminuir la distancia que e:! solut,} ha de mIgrar desde la materia prima huta ponerse en conlaCIO COn el disolvente . El tamaño de particula ha de controlarse para que el flujo en el extractor no se: reduzca en exceso. b) El y-adiente de concentración de! soluto entre la matena prima y el disolvente, que es la fuerza conductora de la extracción. e) La temperatura a la que se realiza la operación _ En general. al aumentar la temperatura se faCilita la operación_ d) La velocidad y las cdtacterisncas del fluIO del disoh'ente. Para mejorar la extracción conviene aumentar la velocidad de flujo de:! disolvente y ::¡ue este sea turbulento. Los disolventes de interés para la Industria Alimentaria ban de carecer de toxicidad y tener un elevado coeficiente de distnbuci6n, una elevada se lectividad por 1,)5 solulos y una baja mis¡;:jbilidad con la materia prima, Deben, además, ser inertes y estables, no inflamables ni explosivos, baralos y no perjudicar el medio ambiente_
350
T.cnoIogío !hlol A/imenfof. PI Componer.'-J deloJ o/imenloJ y proceJOJ
La extracción más simple es la que se lleva a cabo en una tUlpa o contacfO. Una. etapa es uo..! unidad del equipo en la. que una o más (ases se ponen en contacto, se: mantienen uf durante un periodo de tiempo en el que se produce la transferencia de masa de una fase a otra huta alcanzar un estado de equilibrio (no necesanamente termodinámico) y se separan mecáni· camente (figura 12.23.a). Un ejemplo de extracción en contacto único es la descafeinita· ción con agua de los granos crudos de caU. Pata facll ilar la separación de un determi · nado componenle pueden emplearse COI'IfQctOJ mli{n'pla , repitiendo la operación y añadiendo disolvente libre de 501 uta en cada etapa Sin embarlo, eStO requerirla un gran volumen de disolvente y no sena práctico a nivelmdustnaL Un procedimiento alternativo es un sistema de contactos múltiples en COllcrQcorriClIlt: (figura 12.23.b), En este caso tambi~n se neceSIta una batena de extractores, pero el disolvente puro entra en el sistema por el e(tremo opuesto al punto de entrada de los salutos sin extraer. Es decir, conlaCla con eSIOS solutos en la ulllma
etapa de extracción. donde su concentración es minima. En cambio, el disolvente enriquecido en soluto (u/rac/o (1M!) abandona el sistema en la primera etapa de extracción, después de ccntactar con la materia prima que acaba de en· trar en el sistema, donde la concentración de salutos es máxima. El mismo disolvente pasa de una etapa a otra. aumentando progresiva· mente en ~lla concentración del saluto deseado, al tiempo que la de la materia prima dismi nuye en la dirección opuesta.
A) ExrracciÓn JÓlido -líquido (fixivia.ciÓll, lavado)
En esta extracción, un componente soluble contenido en un sólido se separa mediante un disolvente en estado ]{quido. Este disolvente, al ponerse en contacto con el material sólido, se enriquece en el soluto deseado. El producto de interés puede ser el soluto separado. denominándose entonces lixiviación; por ejemplo, en la extracción de aceites vegeta-
a) UI'\.iII ellIPI " conr.cro dll IIxrraCC/Ól'l
::::·:1
Refinado
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Unidad
E)(!racto
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ReMadO '" Atlr.lenlO - Componente eX\l1llido EJ1rKto • DISOlvente. Componllflt' .xtraidO b) SiS/lllm, dtJ t;Q(I/~IOJ rnUlr¡ples /In COfIlr,corrienta
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Oisotv.fltl
01 uno etopo o contocto d, e",lrocc:ión; y bl un s;slel'lO de conlllcro. mUlrlp1es en conlrocauienle
FIGURA 12.23 Diagramas de
les o d:1 azúcar de la remolach.a. Cuando lo que Interesa es la materia prima de la cual $e h.an extraído componentes no ~eseados, se habla de ¡ollado; por ejemplo, en la descafeimuciÓn del aft. En aJgunas ocasio~s se persigue la obtenciÓn de vanas fraccIOnes. Éste es el caso de la extracCIÓn de aceites de pescado, donde con disolventes apolares se obtiene aCelle re finado de pescado y con soluciones acuosas, concentrados proteicos. En p.l lavado es necesario eliminar el disolvente residual que queda en los poros del producto, !\abilUalmente por evaporaciÓn. La legis· lación establece los máximos niveles reS1duales permitidos del disolvente en los alimentos. Entr! los disolventes más fre cuentes en la Industria Alimentaria para este tipo de extrae· ción se encuentran, junto con el agua y los ace;tu comestibles, algunos compuestos orgánicos como hexano, heptano, diclorometano, éter, cloroformo. benceno y etanol.
B) Extracción líquido-liquido Este tIpO de extracciÓn es esencialmente idéntico a la lixiviac1ón. excepto que el alimento, el disolvente y el soluto se encuentran en estado líquido.
C) útracciÓfl CM {Q.Jt dt vopOr La principal ventaja del vapor frente a un disolvente liquido es su mayor penetración en la materia pnma, por su baja viscosidad. Es decir, el 'rea efectiva de contacto es mucho mayor. La capacidad de solubilizaciÓn de un como puesto en rase vapor es inferior a la que tiene en fase Ifquida. Sin embatgo, la difusión de moléculas de pequeno tamaño a una fase vapor es mucho mayor que a una fase liquida. El re sultado neto es una mejor extracci6n. La ex· tracción con vapor de agua se aplica, tanto a muestras sólidas como líquidas, para la eliminaciÓn completa de malenales volátiles.
D) Extracción con fluidos SUptrcrltu:os
La extracciÓn . con nuidos Supercrilic os, de relativamente reciente. se pu<:d<: defimr como la operac1Ón unitaria que utdiu el poder disolvente de determinados fluidos ¡ un. temperatura y presiones superiores a sus valores crilicos (fi¡ura 12.24). Es válida tanto pan alimentos sólidos como líquidos. La peculiari. dad de este tipo de extracción es que el disol. vente cambia de estado durante la operación. ESIOS disolventes. que en condiciones normales de presión y temperatura son gases, se transforman en fluidos supercrCricos al ser calenlados por encima de su temperatura critica '1 comprimidos más alU: de su presiÓn critica. En estas condiciones supercríticas, tienen un estado de agregación en el que no es posible distinguir si se encuentran en fase líquida o gaseosa. De hecho, sus características son muy peculiares e intermedias entre las del liquido y el gas (cuadro 12.4), como: de~rrollo
1. Una densidad elevada (a alta presión). similar a la fase liquida Por ello. actúan como excelentes disolventes Iiquidos; cuanto mayor es la presión, más aumenta su capacidad disolvente. 2. Una alta difusividad, una viscosidad relativamente baja y ausencia de lensión superficial, semejante a las propiedades del gas. Esto les confiere un excelente poder de penetraciÓn y de mezcla, asi como una gr.n velocidad de tra nsferencia de masa. Una vez efectuada la extracción, los compuestos extraídos se pueden separar fácilmente del fluido supercn'tico con tan s610 disminuir la presión '1. por lo tanto, su densidad. Al disminuir su densidad, tamb¡~n lo hacc su capacidad como disolvente y los SOIU IOS , que babían sido solubilizados a densidades más altas, precipitan. La efectividad de la extracciÓn con fluidos supercriticos deriva precisamente de los grandes cambios que experimenta en ellos la solu-
SÓLIDO
• '1
Tamperatura FIGURA 11.14. Dioglomo de fO\es (prulmtemperCll.o'o! de uno su,toncio puro. p~ -+ C, 1I lo suce,ión de lonromlormoclones ¿el disoJvenre duronre lo el
y T.. presión y 'emFercruro criticas, rupectivomente. A --+ S
CU.tDI.O 12 .• RQ"'i" di Y~I", •• di alguM. pt<>pw"dll ~"~~I dilo. d¡ooI-~ ..... pIoodo, ... 10. ~tOeiono. ........<:1.::;0.,.
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bilidad de djveoos compuestos. al modificarse su densidad. ESla ultima depende, a su vez, de la temperatura y presión aplicadas. Además, cuando las condi::iones de presión se aproximan a la presión cn"lica, aumenta su selecnvldad. La solubilidad de solutos que tienen una estructura qUifTUCJ. Similar es variable y depende de su peso molecular. El dióxido de carbono, que tiene condiciones supercrfticas i! 3l ·C y 7,j8 MPa, es el más empleado pan la extracción supercrftica en la Lndustria AJimenlana por divernn motivos: L Muesira propiedades supercriticas en
condiciones suaves de presión y tempera· tura, siendo muy adecuado para salutas 5C(l$ibles al calor. Además, a presión at· mosférica es un gas y escapa a la atmósfera, sin dejar reSiduos en el alimento.
Capitulo /2: OperooOlles de lrr:rnsformociÓfl
2. Es inerte con respecto ,1 la materia prima, evitándose el riesgo de reacciones laterales (por ejemplo, oxidaciones), y para el hombre . J. N o es tóxico. 4. Tiene una polaridad baoa y similar a la del pentano y hexano, di~olventes comunes en las extracciones U;uidas. Es decir. puede SUStitUirlOS al extraer compuestos similares. 5. Permite una separacicl: fraccionada . Simplemente eligiendo las condicIOnes de presión y tempetatur. mas adecuadas en distintos extractores secuenciales se pueden fraccionar por separado distin· tos compuestos. Ademas, se pueden añadir pequeibs can tic ddes de Olr05 compuestos, denominado1 codlSoivemes (metanol. acetona). para modificar la solubilidad y selectividad del diÓ.:ndo de .. carbono. 6. No es inflamable ni corrosivo. 7. Es barato y fáctlmente di!ponible.
E) Equipo y apftcacioner en la Indu,Jlria Alimentaria
En la extracciÓn sólido-líquido, en general. los sólidos a tratar están groseramente divididos y rara vez se requiere un movimiento enérgico de los mismos. El equipo más común son 105 tanques de lecho utálico (de contacto simple O múltiple) y los u/rOClores continuos de (e· cho mÓuil. Los extractores de contacto simple {o de una etapa) son los mas sencillos y lienen un funci onamiento discontinuo. Consisten en un tanque abierto con un falso doble fondo, donde se de· positan los sólidos a extraer (figura 12.25). El dlsolv:nle se distnbuye por aspersión sobre la superficie de la masa de sólidos y cae a su travt!!s por gravedad. El disolvente con el como puesto extraído se retira del doble fondo. Si se trata de disolventes volátiles es posible incorporar un sistema para su recuperación y reciclado. El residuo sólido se saca manualmente o por vertido a travt!!.s de la salida que se encuen·
o.stribulOOl dlsolventa
Condensador
del
.F""',,''''"
Descarga de reS;C¡uos
perlo~do
353
palll !)(\taer
... --Vapores oe agua y O$Olvenle
u~~cc :::::::::::",;;:j.~'V."" I
I
Proc:ll.lCto
F1(iUlA 12.25. ExIToclOr de cOl1fodo SImple. con Imemo poro el recidodo del
d;loIven~• .
era en el lateral del tanque. Estas unidades son típicas eD las plantas piloto o en operaciones comcrciale3 a pequeib escala. No tienen gran difusión porque el extracto obtenido no es muy coDcentrado y la recuperación de los solutos es muy costosa. Los extractores de varias etapas con lecho estático combinan varias unidades del tipo ano terior conectadas en serie, de tal forma que tada unidad contiene una carga de sólidos, en la que se introduce por su parte supenor el dlsol· vente con soluto procedente de la unidad ante· rior adyacente . Aunque el sólido no se mueve fisicamente de un tanque a otro, se obtiene un efecto en contracorriente por el movimiento del disolvente de una unidad a otra. Las unIdades se desconectan o aíslan del circuito progre· sivamente para ser vaciadas, limpiadas y carga· das con nueva materia prima. El numero de unidades en el CIrcuito puede oscilar entre 3 y 14, pudiendo tener cada una de ellas una capa· cidad de hasta 10 toneladas. Hay, además, muchos diseños de extractores continuos de lecho móvil dependiendO de ca&! aplicaCIón, aunque la mayoría operan en contracorTiente . En el difusor mosnado en la figura 12.26, el muerial es transportado por
dos tomillos sinftn en el Interior de Ull cilindro metálico donde el disolvente caliente Circula en contracorriente. El líquido extraído "saIe por el mismo exuemo por donde entra el producto a tratar. El materia.! sólido agotado es prensado y el disolvente recuperado se calienta antes de ser introducido de nuevo al extractor. En la Industria Alimentaria las principales aplicaciones de la extracción sólido-líquido son la recuperación de aceIte a partir de hígado de pescado o de subproductos cárnicos, !a extrae· ción de azúcar de la remolacha, la extracción de aceites comestibles de semillas o frutos se· eos (soJa, aceituna, girasol, cacahuete. algodón, etc.), la elaboración de café y !é instantáneos y la eXlracc!Ón de aceites esenciales de hierbas aromáticas. En la obtenCIón de los ace!les de semillas y frutos secos, la extracción con disolventes pero mite una mayor recuperación de aceite que el prensado, aunque en ocasiones estas dos ope· raciones se combinan. Como aplicaciones de la extracción liqui· do·líquido pueden citarse la eliminación con agua caliente de componentes aromáticos y sápidos de bajo peso molecular contenidos en el aceite de pescado para obtener aceItes refi·
Lq.¡ido prensadO
IDisolVente
Entrada de prnduCIO
~y T
Extracto
9:calentaOOi
.......... UnIdIdes de
calenlamiltf1lO
Residuo
Corte transversal del
''''''po FIGURA 12.26. Esquemo de un e~/fOdOr de l..:ho móYil de fune:,onom'etllo COl'lhnuo
Capitulo J 2. Op.roc.-.o d. ~ ._ _.M"o
nados, la separación de proteinas solubles de came y pescado con una solución enz.irrul.tlca y la del ácido oleico de semillas de .algodón con •'. propano. El tipo más habitual de extracción con fase oe vapor es la destilació n. con. lIapor de agua (fi· gura t2.27). El material a extraer se dispone sobre un sopOrte poroso y se barre continuamente con lIapor, que arrastra. los compuestos orgánicos yolátiles. Estos compuestos se sepa· ran posteriormente con facilidad en un intercambiador de calor que enfría y condensa el vapor de agua. disminuyendo asr la solubilidad de los sol utas arrastrados. La mezcla se separa en una fase acuosa y en una fase orgánica, entre las que se redistribuirán los compuestos ais· lados según sus coeficientes de reparto . La principal utilidad es la reducción del colesterol de la grasa láctea, la obtención de aceites esen- .. cLales de plantas aromátICas, la recuperación de antioxidantes de especias y el fraccionamiefllo de accites esenciales con actiVIdad antiOXIdante a partir de clavo, comino, romero, salvia y tomillo. El contenido de colesterol de la grasa láctea se puede reducir con destilación a vacío con Yapor de agua porque la volalllidad de este compuesto, aunque baja. es mucho mayor que
Generador de vapor
la de 105 trighcirido$ marori1ano., de este prodlJC.to. El equLpo básico para la u u ac:ción coa ftui. dos wpercritLcos COnSla de un fllnq lU" d< utrfIC" cro ,'I , donde se mantienen In cOndicio n~ . uper:ríticas, y un lanqLlt de t:.rparuiún. 11 menor p.resió~ (fig~ra 12 .~). Este equipo C ~ 'de opct. Clón dlsconlLnua r llene acoplados interca mbi.do.res de cator. pa:a controlar la temper;,turl y eVitar un enfrillTUento elCCSIVO. El maleru,l • extraer se dispone, en el interior del tanque de ext racción, en un contenedor ciHndrico con ex. tremos perforados. El fluido supercrítico se hacc circular a travis del elo:tractor, dIsolviendo los c()(i1pueslos orgánicos en su interior. A la salio da. tras el paso por una v;Uvula de expansión, disminuye la presión y el fluido supercritico pa· sa íI fase gaseosa en el separador. Los compuestO$ orgánicos anteriormente disueltos se sepa · rao del ~as , que se licúa en un condensador, por enfriamiento. Finalmente el gas licuado es pre · surizado a condiciones supercrfticas median te una bomba o compresor, antes de pasar oe nuevo al eXtractor. Los cambios de temptratura y preSión del medIO de elo:tracción en el extractor, separador y conde nsador se indican mediante los ountas A , B Ye en la fi gura 12.24
(..!.-;:===1
SeparaDo<
"'''i'L-¡=::::~
Fase.cuas.!
FIGlJIIA 12 .27 . El-quemo de un dell'¡c¿or con vapor de aguo .
356
rKnoIogia
de /01 Alimetttol. PI Compott~ttleJ de /oJ alime"toJ y proceJOS
VálVula. d. Materia ,~.
IntercamOlador ckJ calor
compresor
FfGURA 12.28. Repr"."toció" limplihcedo ce un "s'eme «nico de •.,¡Iracción con flul' A. lollque de IXfl'c~ci6n, 8, tenque de IXporuiÓfl o I!parodor; yC,
dOI luperc· riCOI
~ond"Mcdor
Para una cxtnc':;ón simple (~¡imina~ión de un (mico componer:te de una matriz insoluble) o total (eliminación de todo el material soluble), el fluido supercritlCo ha de encontrarse a la temperatura y presión más altas posibles. condtciones que corresponden a su má:(JffiO poder disolveDte (figura 12.29). Para la desodo· ri:ación, o extracción de compuestos muy solubles. basta con condiciones cercanas al punto crítico. en las que el nuido tiene un baJO poder disolvente. El fracc1,mamltflfO de! e:ttcacto re· quiere aumentar paulatinamente el poder dIsolvente a partir del estldo gaseoso y próxImo ill punto crítico. au:nentando la presión y la temperatura de acuerdo con la solubilidad de los I:ompuestos a extraer. las principales aplicaciones actuales a nivel industnal de la extracción con nUldos supercnticos son la extracción selectiva de Inghcéridos y colesterol de la yema del huevo, la descatelnización del caft y el té, asi como la preparaCión de extractOs concentrados de lúpulo y de t!specias. El dióxido de carbono es una buena alternativa a los disolventes clásicos (agua. clorura de metileno o acetato de etilo) utilizados
para la descafeinización del café. El producto final es de excelente calidad . ya que el dióxido de carbono tiene una gran selectividad por la cafeina y el resto de los componentes del café
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-50 -:lO -10
10
, _....... rq rK;URA 12 29. Oíog/amo d. Fes., (pre,iótI-4empeto¿el dióxido de carbono, moslrondo fO I prif\C:i.:xlr., opli,;oclonel In .,Iodo wpercríl'CO poro el procesado de alimentos. p. y r. Ion la pre,¿6n y la lamparONro crillcos, respe~livomenle. MC)
Copilulo /2: O~roc:iofleJ :le rrofIJ'ormcx;ioo
no se modifican. El extracto del lúpulo contie· ne prácticamente sólo los a ·ácidos, responsa· bies del sabor amargo de la cerveza, y puede sustituir al lúpulo crudo en la elaboración de cerveza, Un ¡(cea que está experimentando un gran desarrollo es la extracción y el frac:ionamiento de lípidos, en concreto la reducción del conteni· do de colesterol en la yema de huevo y la grasa de la leche. El dióxido de carbono. a 40 ·C y 34,5 MPa, permite eliminar más del 95% del colesterol de la grasa de leche . Ouos productos en los que se ha reducido el contenido en típi· dos y colesterol con esta tl!cnica son el aCeLIe de pescado, la carne picada y la soJa. El fraccionamiento de la grasa láctea tiene como objetivo obtener diversas fracciones con propiedades funcionales muy concrelas, Esta operación también tiene interés para la extracción y el fraccio· namlento de áCidos grasos insalUrados n·] de aceites de pescado, la extracción de colorantes, aceites esenciales y oleorresinas de especias y plantas aromáucas y la reduaaón de! conleOldo de aJeohol de vinos.
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de particulas de polvo ,) de burbujas de gas, así como por la agitación de la solución. Se habla, entonces, de nuc!eació,: heterogénea, que es la más habitual en la Industria Alimentaria. Una vez iniciada la Ilucleaclón o añadido el material de siembra, los ,:nslales creten de tama· tio a expensas del matedal pre~nte en la solu· cIÓn 50bresaturada. La \O;~locidad de crecimiento de estos crutales dependerá de la transferencia de masa a la superficie de tos cristales y de la presencia de impurezas. El control de la costali· laclón permitirá obten':r un tamaño de cristal homogéneo. que facilite:>u separación posterior, "más adecuado por raze nes comerciales. La forma de los cnmles (hábito) también de· pende de las condicione~ de crecimiento. Cuan· do el crecimiento de los cnstales es muy rápido, la forma de los cristales luele ser muy extrema porque las distlntas cara.! tienen diferente veloci· dad de crecimiento.. Las .mpurezas también pueden modificar el hábito de crlstaliuclón de un compuesto. Otra causa dd cambio de fama de los criStales es su contacto y adhesiÓn, con foro maclón de agregados; para evitarlo se suelen pulvenzar con sustancias inertes.
/2.8 .8. Cri$lofizoCiOn
y aplicacionts Alimenlaria
,-t ) Equipo
La eruta/ilación permite la separación de un matenal líquido en dos (ases de disunla composICIón, una sólida y olra líquida. La frac· ción de interés puede ser la sótid::l (azúcar). la líquida (zumos de frJla concentrados) o ambas (fraCCionamiento de aceites). Para conseguir la cristalización de uno de los componentes de la mezcla es necesario ca· lentar para evaporar agua o enfnar. con el ob· Jetlvo. en ambos casos, de alcanzar su satura· ~ . Sin =barCO . .iI mc.rwdo ~lC OQ ~! IU~ ciente para que se iniCie la cnstalización, 5100 que es necesario potenciar la nuc!eación. La nudeaciólI homogtnea se logra por la adiCión de cnstales del soluto de Interés, que dan on· gen a la (ormación de núcleos adicionales en la solución. También se puede iniciar por ta adl' ción de otr~ cmtales Similares a los del saluto.
~n
la Industria
Una de las principale~ aplicaciones de la se· paración por cristalización es el fraccionamien· tO de grasas El objetivo eraturas, estas fracciones pueden alterar la aparier::cla y el manejo de los atelteS, así como dCSl:sta!:ulizar las emulsiones. e SI'" =-:;:iQl'Ia..~T!~:'':' tWll'Uui~(.lClóll o desmar· gannado) se realiza con enCriamiento, que ha de ser muy lento para fa.vorecer el crecimiento de los costa les ya e:mtentes y no la nucleación. Los cristales de gran {amaño, durante su separación por filtración, retendrán una menor proporcIón de aeeHe lIq uido que los cristales pe. queños La (raCClón liquida obtenida. es ade·
cuada para aceites de consumo y la sólida para la elaboración de margarinas. Los sustitutos de la manteca de cacao, que deben tener un rango de fusión muy estrecho, tambitn se obtienen por fraccionamiento de otras gruas y ace ites. En la concentración por congelación de ali· menlOS liquidos, el proouao de interl!s es la frac· ción líquida obtenida tras la cristalización del agua.. El equipo consiste básicamente en un in· tercambiador de calor de supcñlCie rascada, en el que se obtiene una masa con cristales de rucio. Estos grandes cristales, tras ser separados del lío quido concentrado, se lavan para recu;>c rar los restos de soluciÓn que los acompañan. Esle tipo de concentración se recomienda para los produc· lOS sensibles al calor, en los que la eliminación de agua por evaporación ocasiona una severa modio ficación de sus propiedades organÓlipticas y nu· tritivas. Sin embargo, el grado de conct ntración alanudo es limitado y tiene mayor COSte que la evaporación. Las pnncipales áreas de interis son la concentración de zumos de ÚUta, bebidas al· cohólius y vinagre, así como el ajuste del conteo nido alcohólico de los vinos. También se utiliza para la concentración preliminar de alimentos 11· quidos que se van a liofilizar. Para la fabricaci6n de sal y azucar, donde el producto deseado es la fase sólida, se requiere calentar para evaporar agua.
12.9, Tronsformociones quimicas Dentro de este apartado se incluyen aquc ' lIas tecnologías por las que los alimentos ylo sus componentes se transforman por reaccio· nes químicas debidas al calor, a tratamientos qufmicos y enzlmáticos o a la acción de microorganismos (fumentqcioMs).
/2.9. l . Por Ir%mienlo lérmico
Los tratamientos tl!rmicos que se aplican durante el cocinado de los alimentos (her Vir,
bornear, asar, tostar, freír, etc.) tienen como principal objetivo modificar las cara.cterísticas sensoriales (textura, sabor y aroma) de los alimentos y mejorar su palatabilidad. Las tem o peraturas empleadas contribuyen, además , en cierto grado a la reducción de la carga micro· biana, a la destrucción de enzimas y a la dismi· nución de la a~, bien en la superficie del pro· dueto o en su totalidad dependiendo del tama· flo de la pieza. Es deCIr, estas operaciones tienen un cierto efecto conservador. En algu. nos productos la reducción de la a... es tan in· tensa que. con un envasado adecuada, se pueden mantener hasta un año a temperatura amo biente (patatas fritas, apentivos). Sin embargo, en la mayoria de los casos la c.. final del pro· dueto no es lo suficientemente baja y, para alargar su vida util, se requieren métodos de conservaci6n adicionales, como la refrigeración o el envasado. Todas estas transfonnacioncs, que se basan en la transmisión de calor, tienen el mIsmo fun · damento. Los alimentos hervidos se obtienen mediante tratamiento con agua caliente o va· por. El término homcado se aplica no rmalmente para productos con un contenIdo elevado de harina y el de asado para carnes. En ambos ca· sos se utiliza aire caliente. aunque también in· terviene la transmisiÓn de calor por radiación a partir de las paredes del horno y por conduc· ción a través de las superficies en [as que están depositados los alimentos. La fritura, por su pane, hace uso de grasas y aceites como medio de transmisiÓn de calor F.n todas estas operaciones junto con la transmisión de COllor. tambll!n hay transmisión de materia ya que parte del ligua contenida en los alimentos se evapora y se transfiere 111 medio que los rodea. En la fritura hay que considerar, además, la transmisión de materia en la direc· ci6n opuesta, porque una ciefla proporción del aceite de fritura pasa al alimento. L.l evaporación de agua en la superficie del alimento d urante el horneado, el asado, la fritu· rfl o el tostado provoca la fonnación de una coro teza. En ella tie ne n lugar complejos cambios
JX u';!p~od 'OlU';!!WeUO!JUoJ ns 1? OlJ';!ds';!J UO;) 'r przJQ¡ U9!JJ';!"UOJ \! I Jn~J OIl1?J eJ1?d S~JOp -'I!IU411 UOJ soplld!nb~ ';!lu~wrenl!qv4 'OlJ';!J!P -U! Q OlJOlJ!P OIUOl!WrlUOlIr.l Olp J~ UOlpOlnd Olob 'SOUJol( u';! n!IIIOlJ ;s open 101 J. ope4UJ04 13 'r"!lJOlIOJ u9!J1?Jn1?ls~J el o SU!lOllIlJ 1;1 U;¡ oWOJ JS1! 'SOpvu!:lO:l;lJd 1. sopeJ'td 'OlJd sOlt¡d ueJoqel;l Olob S1!plSnpU! S1!1 UOl s;llel -u ;lwepunJ uos opeu!:IOO ~p $;luo!JeJ:KIo s1?l D!JD)U;lllI!lY
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360
r.c"oIogia dele, AlimentoJ
t'} Componell/eJ d.IoJ olime"'O$ y proceros
discontinuos O continuos, permHlendo estos ul· urnas un ma~or volumen de producción. Las principales aplicaciones son la elaboracIón de carnes y pescados y de productos de panadería y pastefería (capiwlo 9). La fritura por con laCIO se hace sobre super· ficies metálicas calIentes cubienas por una fina capa de aceIte , para el procesada de lonchas de beicon, lluevas, hamburguesas Y otros alimen tos que tIenen una gran relaCIón superfiCIe/volumen. La fritura por inmusu)n tiene un ámbito más amplio y permIte un procesado homogeneo de los alimentos, independientemente de su forma. Una trtidora consiste bá· sicamenle en un reclpientc pata contener aceite y un sIstema pata calentarlo. La adición de metil silicona al aceIte es habitual para eVl' tar la (ormaclón de espuma. En restaurantes y en alg:unas industrias de pequeño tamaño se suelen u[llizar i;eidoras de operación discontinua. En cambia. p:lra las grandes industrias son preferibles (as de operación conClnua, con una CInta smfin de malla perforada metálica Que: rr:tnsporta el alimenlo "! [Caves de 'In bañó) de aceIte. El mantentmlento de estas ¡reidoras es un factor critiCO, que requiere el acoplamiento de iistema~ de filtración para elimmar la matena parnculada y evitar su carbonización.
B) Elecro tn los a!imaHOJ La textura de los alimentos cambia sustan cialmente como consecuencia de estas opera':Ion':$. SIendo ~ste su prinCIpal obJenvo como ya se ha indicado La magmtud del c3mbio de· pende de la composiCIón del alimento (canndad de a~ua. Upidos, proreinas y c.::IrbohLdratos), asi como de (a temperatura y el tLempo de ':.llentaffilento. Lo más destacable es la formac:ón de una cartel3. que permne retener una grln parte de la numedad en la masa interior. Las airas temperaturas alcanzadas provocan grandes cambios en los disunros componentes: las grasas se tUnO.:n y dispersan. contnbuyendo
a la jugosidad: el almidón se gelatiniza: el colágeno se solubiliza y transforma en gelatina, más blanda; y las proteínas se desnaturalizan, disminuyendo su capacidad de retención de agua, y se conlraen, aumentando la expulsión de agua y grasa y, por lo tanto, la dureza del producto. Un gran numero de reac.:iones químicas se desencadenan y progresan durante estas opera· ciones por las altas temperaturas y la reducida Q • • Entre ellas cabe destacar la reaccIón de Mall1ard o pardeamiento no enzimáuco, la reacción de Strecker, la oxidación de ácidos grasos, la caramelización e, incluso. la carboOlzación de azucares, grasas y proteinas. Fruto de todas estas reacciones es el desarrollo de colo· r.:s pardos típICOS en la superficie de los productos, así como (a generación de una gran cantidad de compuestos aromáticos y sápidos (aldehídos. celOn;:¡s, laetonas, alcoholes. ésteres, etc.) que contnbuyen. dependiendo de la compOSición original del producto y de la temperatura y el tiem.po de calentlffilemo. al sabor '! I:lor caracr::i"S{lcO de los ll;:ne::tOi .lsi ¡raIJ"dos. Esros tenómenos se estudian en los capitu. los 3. .J. Y 5. En los alimentos frilos hay que le· ne r .:n cuenta que el produClo final también conuene compuestos volátiles procedentes del aceite de (mur3. En general. todas estas operaciones de cocinado mejoran la digestlbllidJd de (os alimentos y contribuyen a la destruccIón de algunos laClOre! antmutnllVOS presentes de foona lIaIUrJI en ciertos alimentos (por ejemplo. los 111hi(lIdores de la protemasa de !a soJa). Aunque con estas ope racIOnes no se modIfica ~Ust3n clalmenle el valor nutr:tivo de los alimentos. pueden produC\ne pe rdidas ck "'Itammas durJore la cocción (por !ixlV1ación), el asado (por ~oteo) o la f¡)lura imensa (en este caso, pnndpalmente de"las liposol ubles ). Los alimentos trilOS tie nen tm mayor conlen:do en grasa, pe· ro Su repercusión es vanaOI.: ':' dependiente de la c3nCldad relenida en e! alimento y de las car.lctenstlcas de! aceite (ongen y ciclos de unH:>:aciÓn.l.
Copiru/o ! 2: OperacioneJ de rrOnJformociÓl'l
J2_ 9.2 Por tro/amlento quimico y Mzimólico Las transformacIOnes químicas a las que se somete la materia prima alimentaria con el ob· Jeto de modificar su valor nutritivo o sus pro· piedades funcionales son tan numerosas. que es practica mente imposible hacer una relaCIón ~xhausliva de tooas ellas. Como ejemplo puede citarse la modificacIón de grasas y aceites por hidrogenac lón. para cambIar sus propiedades de cristalización y fusión y mejorar su estabili· dad; la ob¡ención de hidrolizados proteicos con sabores y aromas típicos (a carne o pescado). que se utilizan ~n la formulación de sopas o salsas: la modificación química do! proteínas. para m~ioraT sus propiedades funCIOnales; y la cararndizacióo de azúcares para obtenu como puestos coloreados O sapldos. A pesar de que la modificacIón quimlca lIe· ne muchas posibilidades. la Induslria Alimen· taria muestra mas im e rés por el empleo de en· zimas; se debe l !l especifiCIdad de la modifi· cación producida. para la cual se requieren tan sólo muy pequeñas canuciacies de ca¡alludor biológIco. la pOSIbilidad de realizar estas ope· racIOnes en condiCIones muy suaves (sobre IOdo de temperacuTl) y al menor gasto energéti· co. La mffioVllización de enzImas e:t sopones perm1!e alargar su nempo de uulización y re· duce el riesgo de que queden reStOs en el pro· ducto final. TambIén hay que señalar en ~ste C:lSO que las aplic:lciones de las enZImas en la rndusrn.l Alimen!an3 son muy numerosas (capítulo 15). A modo doe ejemplo. pu~de mdic:lrse el empleo de prm~asas para d abhndamlento de la carne o pao la elaboración de quesos :: el de l¡pasas para mejorar el a.roma de los ~ro duclos lácteos.
/2.93. fermenlcc:ones La fe:me:H3clón de los alir.'le:lIos se na practlc;:¡do desde muy antl!;uo. mucho .:lntes de que se .:onaCler:l m fund3menco ::enti:ico Consis;:e. :!n linen gene:-:l!es. en !.1 modi:'ka-
361
ción intencionada de Jos ahmentes rr.~~~d a la actividad de ciertos mlcroorgamsJ1' _,ra ob. tener productos de gusto agradable. ":l.: .)S y estables. En la Industria Alimentaria es la única operación en la que se favorece el creClmiemo de 10$ microorganIsmos. eso sí, de forma con. trO!Jda. En el pasado, el pnnclpal objeflvo de la kr. ment3ción era el de la conservación de algunos alimentes estacionales o perecederos gracias a los productos finales de [a fermentación (aCl. dos o alcoholes. fundamentalmente), que Impl. den el deSJrrollo de microorganismos patóge. nos y alterantes. Sin embargo. en la actualidad !lene mucha más importancIa desde el punto de vIsta de la transformación de las m.Herias pnmas que pennae diverSIficar los alimentos. Medilnce las fermentacIones se obtienen nue. vos ahm-:ntos con una teXTura. sabor y arOffi3 completamente distin tos de la matena pnma de partlda. modificaciones que son dific:les de cons.:guir por OtTOS medios Entre las Ventajas que dene la fennemación cumoJ i!l~UI() oe procesauo de los alimentos han d~ señalarsea) Condiciones suaves de temp.:ratura y
O, el
dj ~¡
pH. que ;ontrlouyen al mantenimIento de 13s prop:edades nutrinvas de los alí· m~mos y. 1 veces. de las :i.:nsonaks. La ootenClón de produc[o$ únIcos con nuevo sabor. aroma,! textura. en .:onsumo ~n
Los nucroorganlsmos imphC3dos son bacl!·
n3S (destacando. robre todo. \3s bacteria.s lac!!cas). algur.os mohos y levaduras. bIen indivI· dualmente o combtnados. Todos eilos de~lacan por la producc:on de canridJdes sustanciales de enZImas que iOD. en liltlmo t¿m1lno. la.s responsables o cltaiizador~s ':e bs reaccIones de I:!. lctualidad y a f11\ellndus¡riaJ es interes_ habuual valerse de cultiVOS ir.ic!GC!Jrt!s (scar.
::1.
362
T.cnoIogia cJ.Io, Alimefl/o$. PI Compon"".s da
tus), que dominan la flora microbiana presente de forma narural en [a materia pnma y penniten un mayor control de la fermentación.
Al Equipo y aplicaáonts en úz Industria Alimentana
Cuando ~ trata de alimeotos líquidos. la fermentaCión se lleva a cabo en tanques o fer· mentadores de acero inoxidable de muy dIversos disefios que disponen de mecarusmos de agitación y de control automático de temperatura. pH. oxigeno, velocidad de agnación, entrada de matena prima y salida de producto, CIC. Los materiales sólidos ~ pueden fermentar en bandejas tanques. que normalmente se SlIlÍan en reCIntos con tempe ratura y humedad relativa controladas. Un caso especial son a[gunos embutIdos, en los que la matena prima se :ntrodl,;~:: pre'.'¡zcr.~!:te e:J tripas na:l,;rales u
°
/01
olimefltoJ y prochOl
otros materiales, y cuya fermentación se puede realizar a temperatura ambiente si el clima es adecuado: lo más habitual, sin embargo. es Ue varia a cabo en locales con control de la temperatura y de la humedad relativa del aire. Las principales fermentaciones y sus aplicaoon~s en la Industna Alimentaria se muestran en el cuadro 12.5. Cabe destacar que todas ellas, aunque deseables en los productos iodicado5. pueden produClfSC en otros alimentos de forma no contfolada y dar lugar a defectos o alteraciones. Por ejemplo, la fermentación propióruca, que se persigue en los quesos de pasta cocida pren$3:da. es un defecto en otras variedades de quesos ¡gualmente. la fermentación del áCIdo cítrico. deseable para el desarrollo del aroma en la mantequilla, es perjudicial para la calidad de otros !)roductos como la ce:rveza. Conviene menCionar, por último. que hay otras fermeruaciones que son indeseables. Este: O!~ I!! C¡1.~n de la /~ rmtr¡¡ación bucírica, que causa
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OH ÁCIDO C¡fRICO (6:,0'0 c:"ico _
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¡)crc
010.1
Capitulo 12: Operaclane5
profundas modificaciones en el aroma de algunos productos. como el queso. También da lugar a una producción excesiva de gas. responsable de defectos en los oJos de algunos quesos. hinchamientos e, incluso, grietas.
B) EítCIO tn los alimtnfOS
La fermentaCión de los alimentos modifica suStancialmente las caracteristicas sensonales de la materia pnma de paruda. Sin embargo. estos clmbios no se consideran un defecto. SinO que son uno de los objetivos de esta operación . En cuanto a la textura. si se degradan matenales poliméricos. los alimentos se ablandan. En algunos casos Jos productos finales tienen una textura completamente distinta a la materia prima. como por ejemplo 105 quesos. Por lo que respecta al sabor y aroma. en general. dis· mlnuye el dulzor y aumenta la aCIdez. Pero destaca. sob re [000. la generaci0n Jo:: \.lIlJ s~ .. n canndad de compueStOS sápidos y aromátiCOS (aldehídos. éSleres. cetonas. etc.). como canse· cuencla de la posterior transformación de los áCIdos orgániCOS derivados de la fennenlaclón de los azúcares y de aminoáCIdos y ácidos grao sos libres derivados. respectivamente. de proteinas y I(pidos. En cuaMO a la calidad nutritiva de los productos fermentados. las suaves condiCiones de procesado permiten relener la m3.~· or pa r· te de los nutrientes presentes onglnllmente Además. se ha sugendo que el valor nUlntivo de estos alimentos es mayor por vanas razones. La hidróhsis de proteínas y carboilidratos de elevado peso molecular. mejora su digesl!bili· dad . Algunos microorganismos sintellzan y pueden liberar al medio viraminas compleJas y otros factores de creCimiento y contnbUlr l hberar los nutrientes ltrapados en esrructuras :dulares o a eliminar sustancias antinutritivas y tÓXICas Como la oxidaciÓn de azcc:Hes du· rante las iermentaclOnes no suele ser cvmpleta. sino que tan sólo se transforman en .::~mpues· tos un poco más oxidados qUe 105 sum:ltos ori-
d~
transformoc¡ón
363
ginales. los alimentos fermentados retienen mucha energía pote;¡clal susceptible de ser uti· litada por el hombre. Por últImo. las fermenlaclOnes prolongan la vida litil de los alimentos por muy diversos mecanismos, entre los que se pueden citar la producción de ácidos o de alcohol, la competencIa con otros microorganismos por 105 sustratos presentes en el alimento, la producción de sus· tanclas bactencidas. la dismmución liel poten· clal redox y, en 105 productos madurados. la re· ducclón de la Q •. Sin embargo. a veces. no sue· len ser suficientes para log rar su completa estabilidad. por 10 que es habItual complemen· tarlas con otros metodos de conservación sua· ves (refrigeración. pasteriuclón. etc.).
Bibliografía t".P.t.AS. 1, .~..
r::
relnC Crlllcal
(19I'I"!): ~!:.nru~ion af foexi ;:'fn. Rt\llt ....s 111 Food SCltnct /VId
NII'
trllion, 32(4): Jó5-392.
°
BAL6,.BAN. M. YCHEN C. S. (1991): ··SI,I~r· Ctlhc:l1 flUid extraelion applicallons ior ¡he food IOdustry~. Encyc!optdrCf o{ Food SdtnCe' Cf"d Ttd:n%gy. voL~ . Y. H. HUI (ed.). John W¡ley and Sonso1m;. Nueva Yor\::. BREt-o"NAN. 1. O .. BUITERS. J. R.: CQWELL. N O y L1LLEY. A. E. (1990): Food En;III~~rms Opt,Q,1I011S. 3.' el.!, Else\ler Apphed Sel:nce
Londres. CHURCH. L ¡ Y PARSOi"S. A. L (1993) " R.: · V1CW' 1011$
vide
cook.d\lllrechnolosy~.
¡"luna-
1I0nal Joumal 01 Food Scttnct and TtcJlllology.
2S: 563-51J. CUPERUS_ F P Y!'ffJHUrS. H. H. (1993): MAppl!.
calions of membranc tcchnology 10 roed precessing". Trtnds 111 Food SCUnct and reclin%S},. -\: 277-2S2. DZIEZAK.1. D . (1990): "Membranc separallon lcchnology offcf1 plQCCssors unllmltcd polenlial" Food Tuhnology. ~J(9} : IOS·113 EARLE. R. L. {I 98S}: Ingtnltrill dt los allmentor
2,' ed. Ambla Zaragoza.
36.:1
recnologia d./ol Alimentos. PJ CornpOllenleJ de /OJ o/imenlol y procesal
FELLOWS. P. (l99J): TeclIO(osÚl del procesado de los alimelllos: Principios y prdCIlCOJ. Acribia. Za-
SMITIt A. (1989); "EmUSlon cooklng. A review~ Food SC¡¡!flce ond rtelln%sr Todar, 3(3): 156· ¡6!.
ragoza. PIGOTI. G. M. (1991): "Extraction". EllCye/opedia 01 Food Seltnce ond TtClll10108" vol. 2. y. H. Hlli (ed.). 10hn Wilcy and 50ft!, (nc. Nueva York.
PRANDL. O.; FISCHER. A.; SCHMIDHOFER. T. y SINELL H. 1. (1994): Tecn%gia e II/jiene dt la carrle. ACrlbill. Zaragoza. SINGH. P. C. y SINGH, R. K. (1996): "Choosing an appropl3te bloseparallon lcchnique-. r'eneis In Food SCUflCt and rtdln%lY, 7: 49·58.
WIEDMAi'lN, W. (1991): "lmproVlng producl qUIlit y throu¡h twin-screw cxtrusion and cJosedloop qUlIlity conuol-. Food EZfliUlon Se/ence and reclln%Sr. 1. L. Kokini. C. T. Ha y M_ V. Ka'rwe (elis.). Mareel Dákcr. Ine. Nueva York. ZEMEL\iAi'l, V. B. y KETIUNEN. D. M. (1991): " Agglomerauon and IJilOmetalOr !yslcms"
fncye/opedio 01 FOoJd SeteflCt and TechllO/ogr, vol. 1. y. H. Hui (ed.).lohn Wiley ¡nd Sons.lne. Nueva York.
RESUMEN l. los oOlll'ecian.s ¿e Ironsformeción henen como pflnci'pol ob¡e/ivo modificar 10 5 mOlenos pnmes olimenleries poro obtener olimen/o, o ingredie .... ,~ • .:;~e ;x':o::e~ ~,~-~! :,/" meiOt~' ~roCe,is heOl funcionales, sensoriales o nutritivo,.
/e por medios mecónlCOs en una gren variedad de equrpos [agHadores poro líc:¡urdos y d,versos tipos de mezcladoras paro líquidos viscosos, ':=J;~l , ¡::oJuc:os ~;;J". ¡. l::-::!:. !.r,:: ~~-::. c:on dep ende de lo noturaleza de los camponenres e me.tcler.
2. la reduc:ion de lemario llene por objetivo disml' nUIT el !ameño medio de las pertículos ¿e un Qr'1> dvero, empleendo fuerzas mecanicos; paro ello, se ulilizen molinos poro olimenlOS duros y sec::lS y p,ca¿oros pero ;::limentQs fraloCos lo reduc:ión de temaño de preductos líc:¡uidos incluye lo mom,zeeión. lo homogeneizccu:'n y le ."..ulsln· ceelón, empleóncos. para ella mez:lcdares. homogene,zedOt!s a molino, oue sellelen fuer!os de cizdlo muy inlensos .
J lo fioc:Ar::cón y 'o aslomerocón son oeerecJOnes que .cersig¡¡.n un Ol,lmen/o de lamoño, sien· do la ¡¡¡lime :::e rrc)'Ol" mpoflOncie en la InCI,ISlfro AlimenlCrle poreue mejoro les prop,edo¿es funciondes, ptinc¡cdmet'lte su ren¡drol'l;:c:ón, de clgunos preduces ~n polvo ¡por elemplo. lec.~e
poIvol.
¿. le mezefa o c:m::it'locion uniforme de dOlo mes C::lmponer./fIS es uno de les open:::crones mós frecuen tes en lo Ir.dustrio A1imer.tario. ~I qUlo neceserio ¡:c:e .110 se genero hcbil\Jolmen-
5. los alimentos paS:OIOS o muy viscosos pueden adquirir diversos lo rmos y tomoño mediente los operaCIones d. mold.odo o formado . Lo, equi. FaS 101'1 muy tspecific:s poro cedo produClO [lTipos o moldes poro ~roductos cÓmrcos. rodi. !Ias o CUlIOS sonfín con moldes pora geiltlC' y caramelos, eIC.) .
6 lo te,ll:uro oe lo:s alimentes le puede cambier medionle geíificeclÓl'1. ~~xtuf!zacion o elClTusiÓl'1 lo geli;'ccc¡¡YI se logro ¡;¡erc~ e a I"Icdi!ic:xien de polisocóndos, pro/tinos o pertícules cobdoies de los olimeM)s. lo rex:urizecién ¡:erl'liia ob;enar películas, .,o,os o pcmcJlos con r.lr:t.Pra mOSMCoble y buena ,.leneiOn ¿e eguo a perir de profeinos de bo1Q-cOsle. Lo ,X1ft1sro" e~ un :'OC!!SQ complelo y conrmuo c:¡ue ¡:ermile .,loOarer pr~uclOS muy diven.os .n cuon:cl o futmc y :ex.,\;(c e partir de unos poc:» ingre¿itmes besicos censrituidO$ Ílr.¿orr.enlOlmente por ,::olisccónccs [c!mídónl y/o pro/einos. la el(!ftJsión pveee re<::lizcrw .n fria. e~ lo eue los ingr~¿ienies le me.:een y mc+-
Copítulo /2 Operaciones de IrOMrormuclón
do poro lo elClrocción sólido-liquido (por e¡em. pla, lo e)(I(O",On de aceites de pescodo1 conSlS' te en ronc¡ues d. lecho el/ólleo o e-".IfCCtores con. tinuos de lecho móvil. Para lo destilaCión con fase de .. opor (por I¡emplo, aguordienleslle ul!. !i.z:en de}lIloderel lo separación COfI Rvidos wpercri/ú:os se boso en .1 IllWcdo poder diso!· .. enle de dgunos Buidos en condic:.iones supereri. licos, soendo ti mós frecuente el CO 2 /0 JI ;oC y 7,38 MPol . Es uno buena dlernollvo e 101 d isolventes dcsieos poro. por I[emplo, 10 deleof.inizociOn de! cal. y te. la criSlolizoelón permile separar una diwJve'ón en dos felel con disllnro compOSICiÓn: uno sólido y otra lic¡uico Sus pflncipoles opliceeiones son .1 ¡roc. Clonam
deon (postas, molO de pcnoderío, etc.). '1 en eol,enle (hasta 250 ·C '1 25 MPoj, en lo que lo mllzdo de ingredientes se transforma en una maso Ivnd¡do cvyc eSIIVCMO se ~¡o 01 ~frion. y/a secarse a la 10lido del exlnnor; la 1t'O'0poroción súbilo de 1.1110 porte ditl agua de 10 mow a la lalido del elClrvlor hoe. qu. es:o se h".,ehe '1 expando, resultcndo en uno telClUro mvy poroso (por erlffllplo. e&feal.s de deSO"y'Jno]
7 los operaCiones de seporación
U!
pued." llevar
° cabo mediante procedimlenros ~licos o químl-
COI. Los primerol hccen uso de dlvenas NerZOS (gravedad, cenlrifu;os o clne/lcos1 y de,oencen de los característicos "siees d. lo fole o se.ocrer lo s~.ooroción eOll m.mbronas lit ooso .n lo cero meo~¡¡¡dod selectivo de uno o mas de los cansa· t\lyen!iu de lo mo:erlo jJfimo en uno memOro.'lC (por :omoño y/o lfl:eroe:iÓn Guímieo]. los prin. cipe'es operaciones de separación COI'I mem:::o· flOS son: mlerofiltroclafl, uhrofiitración, olmosis in. verso. nononltroción. dionhroción, ~ecroc'iéli"s y ,o.""o.ooroell)n. lo eX"ceCIÓII es uno op.reclan ce seaoroclón por ~ed¡cs químiCOS y requiere le ~til: ... .:,;i~.-. .1" ::r:'":.dllol que ter;=~ ,,~ 5-'-:" afinidad por el prccuc;o que 11 dell'" obten" o ~ 11I!!lf1or de lo me:.,io prima. EII!G!Jlco emc;l!C'
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a
la IransíormCClon quimlCC de lo r.'!oteroo pmllO oIimenlcno {!Gulere lo oplie::cor: de color {cee:· naco], ~rc«::mlervol químicol a .n.!imérical pere meloror IU .. olor nurfl~VO o sus Fropledades funcionales (hldrcsenceión de grcsca, cbeneión de "'idroil.::cd::ls :;Irore¡eos. ccn:::meli;:::c;Óf\ ce o¡:j.. ~rel. e/c.] o le actividad de ciertos mocroorsc· ntsmOI (fermen;oclones).
