LETALIDAD Y TIEMPO DE PROCESO Jose David Cárdenas N., Mónica Vizcaíno W. Escuela de Ingeniería de Alimentos. Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali, Colombia _______________________________________________________________________________________ RESUMEN El calor se usa ampliamente para controlar las poblaciones microbianas, por lo que es esencial tener medidas precisas para determinar su eficiencia. El tiempo térmico letal se refiere al periodo de tiempo más corto en que muere al totalidad de bacterias (Rodríguez et al, 2006). El objetivo de la práctica consintió en obtener los perfiles de temperatura y calcular los valores de letalidad y tiempo de proceso para la esterilización de una lata de atún en agua marca Isabel. En ella se introdujo dos termocuplas, una ubicada en el centro geométrico y otra en la mitad del radio de la lata, posteriormente se introdujo en un escaldador hasta obtener el mismo valor de temperatura en ambas partes del producto, registrando la variación en él cada minuto. Inmediatamente alcanzada la temperatura de equilibrio se extrajo el producto del escaldador y se introdujo en un recipiente con hielo y agua disminuyendo su temperatura hasta obtener el equilibrio en el alimento, de igual manera se registró la temperatura cada minuto. Finalmente se concluye que el efecto letal implica una relación inversa entre la temperatura del proceso y el tiempo, obteniendo un valor de 4,25 min para una temperatura de 234°F. _______________________________________________________________________________________ INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas en la industria de alimentos es la destrucción de los microorganismos presentes en los alimentos, no solo para prevenir su potencial contaminante, sino también con el objetivo primordial de preservar los alimentos durante períodos de tiempo lo más largo posible (Ibarz, 2005), aunque el objetivo principal es la destrucción de estos microorganismos, también se desea destruir enzimas, que son al mismo tiempo causantes de alteraciones no deseadas en el producto (Mafart, 1997). El procesado térmico de productos envasados se realiza en aparatos que utilizan vapor de agua o agua caliente como fluido calefactor (Ibarz, 2005) como el escaldado, el cual es un tratamiento térmico a 95-100°C que dura varios minutos y tiene como finalidad destruir enzimas y microorganismos susceptibles de alterar ciertas características en los alimentos (Mafart, 1997). El calor se usa ampliamente para controlar las poblaciones microbianas, por lo que es esencial
tener medidas precisas para determinar su eficiencia. Según el ámbito de aplicación, se emplean diversas escalas arbitrarias para cuantificar los tratamientos térmicos (Mafart, 1997). Para la esterilización de alimentos la unidad adoptada es: Temperatura: 121.1°C = 250°F El tiempo térmico letal, F0, se refiere al periodo de tiempo más corto en que muere la totalidad de bacterias de una suspensión, sometida a una determinada temperatura y bajo condiciones específicas (Rodríguez et al, 2006). El valor de F0 corresponde al tiempo de muerte térmica del microorganismo patógeno que se vaya a eliminar según el proceso. (Orrego, 2003). Para el cálculo de F0, se emplea un parámetro de termoresistencia característico de cada
microorganismo denotado z. Cuando el pH del alimento es superior a 4.5 es un medio ideal para el crecimiento del C. Botulinum (Instituto Interamericano de Ciencias agrícolas, 1980), como es en el caso del atún cuyo pH oscila entre 5.2 a 6.1 (Bolaños et al, 2002). Debido a lo anterior, la eliminación de éste microorganismo es tomado como referencia para determinar la correcta aplicación del proceso térmico. El valor de termoresistencia reportado para éste microorganismo es z = 10°C = 50°F (Orrego, 2003)
otras temperaturas, el tiempo de procesamiento puede ajustarse a un tiempo equivalente a 250°F con la siguiente ecuación (Sharma, 2003):
Para el cálculo F0 se emplea el valor velocidad letal, asociado a la temperatura, éste se representa como:
Método trapezoidal
(1)
(3) Donde FT [min]: tiempo de procesamiento El 50 corresponde al valor de z (min) para el C. botulinum.
En éste método, el área bajo la curva puede ser aproximada por una serie de paralelogramos, el área de cada paralelogramo se calcula con la altura promedio multiplicada por la anchura:
Donde
(4)
T [°F]: Temperatura del tratamiento T*[°F]: Temperatura de referencia del tratamiento z [min]: parámetro de termo resistencia de característico de cada microorganismo. Derivado de la ecuación 1 a partir de un proceso de esterilización y tomando como referencia el C. Botulinum como microorganismo de interés se obtiene una expresión para la velocidad letal como se muestra:
El área bajo la curva es la suma de todos los paralelogramos: (5) Regla de Simpson La regla de Simpson requiere que haya un número par de intervalos o un número non de velocidades letales. Utiliza la ecuación: (6)
Para la determinación de F0 se han determinado varias metodologías para su cálculo. Método Bigelow Cuando la temperatura no es constante en el tiempo si no que varía continuamente se emplea la ecuación 2 para el cálculo del valor del tiempo letal: (2)
Por lo general, las esporas de C. Botulinum son destruidas a un ritmo de un ciclo log cada 0,2 minutos en una solución amortiguadora de fosfato 250°F. Asimismo, se ha observado que a
Método de Patashnik Éste método hace posible detener el proceso cuando se alcanza la F0 deseada. Utiliza la ecuación: (7)
Tiempo de proceso Para la determinación del tiempo de proceso, se emplean las fórmulas 8, 9, 10 y 11 y las tablas de Heisler las cuales relacionan la transferencia de calor de un
producto, para diferentes dimensiones en estado estacionario. ,
(8) (9) (10) (11)
RESULTADOS Y ANÁLISIS Se considera que la transferencia de calor al interior de la lata es homogénea, dadas que las características del atún en agua se suponen homogéneas. Los datos obtenidos en la práctica se observan en la figura 1, los valores de temperatura obtenidos durante los primeros 15 minutos corresponden al proceso de escaldado y el tiempo restante al enfriamiento del producto. 250
OBJETIVOS
METODOLOGÍA En la práctica realizada se empleó, para la determinación del tiempo de letalidad, una lata de atún en agua, en la cual se introdujo dos termopares, una en el centro y la otra en la mitad del radio de la lata, ambas en el centro vertical del alimento. El producto se llevó a un escaldador a una presión de 10 psi hasta alcanzar la misma temperatura en ambas partes del alimento. Se registró la variación de temperatura cada minuto hasta que el producto alcanzó un valor de 234°F. Posteriormente el producto se enfrió, introduciéndolo en un recipiente con hielo y agua, de igual manera se registró la temperatura del alimento hasta alcanzar un valor de 36°F.
T (°F)
Obtener los perfiles típicos de temperatura en la marmita y en el producto durante el proceso de pasteurización. Determinar la letalidad (F0) durante el proceso y al final de éste. Evaluar el efecto del tipo de alimento en el valor de la letalidad. Calcular el tiempo de procesamiento para diferentes valores de F0. Comparar los diferentes métodos para el cálculo de la letalidad y el tiempo de procesamiento.
200
Centro r/2
150 100 50 0 0
20
t (min)
40
60
Figura 1. Gráfica de Temperatura en función del tiempo.
La figura 1 muestra el perfil típico de temperatura en la lata de atún durante el proceso de esterilización en las dos posiciones registradas, en ella se observa que el perfil de temperatura más bajo fue para el centro del alimento, lo cual comprueba que la temperatura en el centro térmico es siempre menor. Por tanto, es aquí donde se demora más en calentarse el alimento lo que hace que dicha temperatura sea de gran importancia, pues al conocer su evolución en el centro del producto se puede evaluar el tratamiento térmico aplicado. Sin embargo, se debe tener en cuenta que si el tratamiento térmico es excesivo, el alimento pierde valor nutritivo, debido a la disminución de su contenido vitamínico y puede adquirir características sensoriales indeseables, tales como aroma y sabor a quemado, además del consiguiente deterioro de proteínas y carbohidratos. En la literatura ya ha sido reportado que la medición con termopares origina distorsión en los perfiles de temperatura, ya que ésta técnica
implica hacer orificios en las latas para colocar los termopares y éstos restringen el libre movimiento del líquido, lo que origina una variación en las lecturas de las temperaturas, ya que en el proceso real de esterilización las latas se encuentran totalmente cerradas (Zhang, 2002) También sugieren algunos autores, que la distorsión se origina por la pérdida de calor en la superficie del recipiente debido a la presencia de los termopares, los cuales proporcionan un área de transferencia de calor adicional, ya que tienen el mismo efecto que una aleta de enfriamiento en un intercambiador de calor (Jimenez et al, 2005) Cálculo de Letalidad La temperatura del medio de enfriamiento no es constante porque a medida que el tiempo transcurre va ganando calor desprendido por el producto, para mejorar éste proceso debería mantenerse con agitación constante y adición de hielo permanente, sin embargo, para efectos de cálculo en ésta práctica se desprecia el error. Como la temperatura varía de manera continua no se puede calcular una sola velocidad letal para el proceso, por ello, para calcular la letalidad F0 se hace uso de los datos de temperatura en el centro de la lata. Método Bigelow A partir de la ecuación 2 se obtuvo un valor de
Método trapezoidal Por medio las ecuación 5 se calculo F0 para el método trapezoidal, obteniendo un valor de
Regla de Simpson El valor de F0 obtenido por medio de la ecuación 6 fue Método de Patashnik Por medio de la ecuación 7 se cálculo F0 obteniendo un valor de
Tabla 1. Resumen de resultados para F0
Método Bigelow Trapezoidal Simpson Patashnik
Valor de F0 (min) 4,27 4,27 4,20 4,27
El método trapezoidal aproxima la curva de velocidad letal con una serie de líneas rectas. Ya que la curva es continua, esto introduce un ligero error en la integral. Una integral más exacta se obtiene aproximando la curva con una serie de parábolas cortas, como lo hace el método Simpson (Sharm, 2003). De la tabla anterior se observa que la mayoría de los métodos coinciden en el valor reportado de F0, sin embargo, para no caer en errores subjetivos, se promedian todos los resultados, obteniendo así un valor de F0 de 4,25min. Las toxinas del C. Botulinum germinan si la esterilización no se hace en forma correcta, debido a que en estos productos enlatados se forma un ambiente de anaerobiosis (Romero, 2007). Las esporas producidas por éste microorganismo pueden sobrevivir en la mayoría de los ambientes y son difíciles de destruir incluso a la temperatura de ebullición del agua de mar, de modo que muchos enlatados son hervidos a altas presiones para destruir esporas (Bolaños, 2002). El escaldado realizado en la práctica se efectuó a una presión de 10 psi (0,68 atm) y una temperatura de 233 °F (111,1°C), estas condiciones garantizan un proceso adecuado para la eliminación de microorganismos mesófilos causantes de alteraciones en los alimentos. El valor reportado de F0 para el C. Botulinum en un proceso de esterilización a 250°F es de 2,5 min (Orrego, 2003). De acuerdo a los valores obtenidos en la práctica, F0 = 4,25 min, por lo tanto, el proceso de escaldado es adecuado pues supera el valor de 2,5 min recomendado para garantizar la esterilización del producto. Por otra parte la diferencia de tiempo entre el valor recomendado y el obtenido en la práctica es de 1,75 min, lo anterior debido a que la
temperatura que alcanzó el proceso no fue superior a 250 °F, la relación entre tiempo y temperatura para el efecto letal es inversa, a menor temperatura mayor tiempo. Para disminuir el tiempo, F0, se requiere conocer como se transfiere el calor en los alimentos y cuanto tiempo es posible aplicar el tratamiento térmico sin alterar sus características organolépticas y nutritivas, destruyendo los microorganismos presentes. La penetración de calor en el alimento debe conocerse para calcular el tiempo de tratamiento térmico necesario para su conservación. El centro del envase donde se encuentra el alimento es la porción que más lentamente se calienta (Instituto Interamericano de Ciencias agrícolas, 1980). La lata de atún es un envase metálico, cuya conductividad térmica es de 202 W/mK para latas de aluminio (Geankplois, 1998), lo cual genera una alta transferencia de calor del medio de calentamiento al producto, pero por otra parte la conductividad térmica reportada para productos de pescado es de 0.431 W/mK (Geankoplis, 1998) éste valor indica que la velocidad de transferencia de calor del alimento será menor, implicando mayor tiempo en el proceso para alcanzar la temperatura requerida en el centro del producto. Si toma el valor F0 obtenido en la práctica y se evalúa en una industria de alimentos la diferencia de tiempo en el proceso implica un mayor gasto de energía, involucrando un alza en los costos de operación. Lo anterior se puede corregir si en el proceso de escaldo se aumenta la temperatura de proceso, reduciendo el tiempo, F0, y por consiguiente el consumo de energía.
Cálculo de Letalidad durante el proceso Para éste cálculo, y dado que los resultados anteriores no difieren significativamente el uno del otro, se utiliza el método de Patashnik:
Tabla 2. Letalidad durante el proceso, método Patashnik
t (min) 0 8 16 24 32 40 48 56
T (ºF) 85 222 233 108 74 51 42 38
F0 0,77 3,99 4,26 4,27 4,27 4,27 4,27 4,27
Puede observarse en la tabla 2 que el valor de F0 aumenta rápidamente hasta alcanzar uno constante de 4,27 en el minuto 24. En el escaldado, el calor se transfiere a través de las paredes de los recipientes a las sustancias alimenticias sólidas por conducción y a los alimentos líquidos por convección, ya sea natural o forzada. La rapidez de calentamiento de los alimentos depende de la naturaleza del medio de calentamiento, el coeficiente de conducción (conductividad térmica) de la lata y el alimento y de si la convección hace circular o no el alimento dentro de la lata (Sharma, 2003). A causa de la resistencia térmica y la capacidad calorífica del alimento y el recipiente, la temperatura del alimento cambia más lentamente que la cámara de la autoclave. En particular, un punto cerca del centro del recipiente es el que cambia con más lentitud (Sharma, 2003).
Cálculo de tiempo de proceso Tabla 3. Condiciones de la práctica
Presión vapor Temperatura vapor Radio Lata (x1) Altura media Lata (y1) h vapor
10 psi (68,95 kPa) 89,52ºC (193,136 ºF) 0,0421 m 0,02065 m 3000 W/m2K
Tabla 4. Propiedades físicas del atún enlatado
k (W/mK) cp (J/kgK) ρ (kg/m3)
0,55625 3578,38 1030,0083
Teniendo en cuenta que la resistencia interna es no despreciable, y dados los datos anteriores es necesario calcular el número de Biot, la difusividad térmica, el valor de X y hacer uso de los parámetros de la gráfica de Heisler para temperaturas en el centro de una placa plana. Estos valores se encuentran gracias a las ecuaciones 7, 8, 9 y 10.
Tabla 5. Valores de m, X y el Y correspondiente
Orientación
m, X
Y
Radial Longitudinal
Las propiedades térmicas del alimento están relacionadas directamente con el tiempo de proceso para alcanzar la temperatura requerida de esterilización. La temperatura reportada en el minuto 16 (final de la etapa de calentamiento y comienzo de enfriamiento) presenta un error del 8,35% respecto al valor esperado; éste porcentaje, representado por una mala calibración del equipo o de los sensores de temperatura, puede repercutir significativamente en la calidad nutricional y organoléptica, así como en pérdidas económicas para la empresa.
BIBLIOGRAFÍA [1] Entonces,
Comparando éste valor con el reportado en la práctica (233°F) y según la ecuación 11, se obtuvo un valor porcentual del error de:
[2] Mafart, P. Béliard, E. (1997) Ingeniería industrial alimentaria. Páginas 81, 139 [3] Rodríguez, E., Gamboa, M. Hernández, F. García, J. (2006). Bacteriología general, principios y prácticas de laboratorio. Editorial Universidad de Costa Rica. Costa Rica. Página 383
(11)
Puede observarse que para un tiempo de 16 minutos el error en la temperatura alcanzada es del 8,35%, siendo éste un valor significativamente alto para la industria, considerando que una mala calibración del equipo puede llevar a pérdidas nutricionales, organolépticas y económicas grandes.
CONCLUSIONES
El efecto letal implica una relación inversa entre la temperatura del proceso y el tiempo. El tiempo obtenido en la práctica de F0=3,828min es adecuado para el proceso de esterilización, pero implica mayor gasto de energía.
Ibarz, A., Barbosa-Cánovas, G (2005). Operaciones unitarias en la ingeniería de alimentos. Ediciones Mundi-Prensa, España. Página 505
[4] Orrego, C. (2003).Procesamiento de alimentos. Primera Edición. Universidad Nacional de Colombia. Sede Manizales. Páginas 155 y 156 [5] Sharma, S., Mulvaney, S., Rizvi, S. Ingeniería de alimentos: Operaciones unitarias y prácticas de laboratorio. Editorial Limusa. 2003. Págs. 97-107. [6]
Cabello, R. (2007). Microbiología y parasitología humana, 3a Edición. Editorial panamericana. Mexico. Página 951.
[7] Instituto interamericano de ciencias agrícolas. (1980) Curso sobre preparación y evaluación de proyectos agropecuarios y agroindustriales. Colciencias. Tunja, Colombia. Página III-K 20
[8] Bolaños, P., Hernández, C., Rojas Jaime. (2002) Agroindustria, II Parte. Aspectos tecnológicos de la agroindustria. EUNED. Costa Rica. Página 27 [9] Geankoplis, C. J. Procesos de transporte y operaciones unitarias, 3aEdición. Editorial Cecsa. México, 1998. Páginas 245, 980 [10] Zhang, Z. The effect of thermocouple and receptacle type on observed heating characteristics of conduction-heating foods packaged in small metal containers. Journal of Food Process Engineering. 2002. [11] Jiménez, I.J., et al. Estudio numérico de la esterilización térmica de alimentos líquidos enlatados que contienen partículas empleando el enfoque de medio poroso. Revista Mexicana de Ingeniería Química. México. 2005. [Consultado en: http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/html/620/ 62040102/62040102.html]
