TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN LOS ALIMENTOS I.
INTRODUCCIÓN La aplicación de algún tipo de tratamiento térmico a un alimento tiene como finalidad la destrucción de la carga microbiana que ocasione el deterioro en su calidad física, química o biológica, o que origine algún tipo de perjuicio en la salud del consumidor. Cada microrganismo tiene su propia resistencia al calor, y en función de dicha potencial carga y a las características del alimento se aplica un determinado tratamiento térmico; sin embargo, éste tiene que ser específico para así eitar efectos negatios que puede ocasionarle alteraciones físico, químicas o biológicas debido a un sobre tratamiento o permitir la sobreiencia de alguna forma de ida que ocasione problemas en la salud del consumidor, debido a un sub tratamiento de calor. calo r. !oda !oda aplicación de un determinado tratamiento trata miento térmico es consecuencia del conocimiento de un conjunto de factores, entre los que podemos citar a"
La termo resistencia de la carga microbiana natia presente en el alimento, La naturale#a, estado, presentación y tipo de alimento. $l conocimiento de las propiedades asociadas a la conductiidad del calor, las alteraciones por calor, la elocidad de transmisión de calor, etc. $l tratamie tratamiento nto térmico térmico,, ocasio ocasiona na no solo solo la destru destrucci cción ón de lo micror microrgan ganism ismos os o la desnaturali#ación de sus en#imas, sino también la de sus componentes nutricionales; sin embargo, tiene muchas entajas entre las que citamos" a% &ermite controlar de forma muy e'acta, la duración y la temperatura aplicada al producto. b% &ermite la destrucción de componentes anti nutricionales, presentes en el alim alimen ento to;; es deci decirr, comp compon onen ente tess del del prop propio io alim alimen ento to que que dism dismin inuy uyen en la disponibilidad de algunos de sus nutrientes.
((.
TIPOS DE TRATAMIENTO TERMICO. $'isten $'isten arios arios grados grados de conser conseració ación n por calentam calentamien iento, to, y no todos todos los aliment alimentos os comerciales conserados mediante calor est)n estériles, entre los cuales destacan"
II.1. II.1. COCINA COCINADO DO
*u obje objeti tio o es hace hacerr m)s pala palata tabl blee el alim alimen ento to.. &ued &uedee hace hacers rsee con con calo calorr seco seco +temperaturas mayores a --C% como en el horneado y el tostado; con calor húmedo o al apor y mediante aceites calientes o freidura. *e considera un método de preseración pues los alimentos cocidos y no recontaminados duran mas que los crudos pues al cocinar se reducen los microorganismos y se inactian las en#imas, se reducen adem)s las to'inas, se aumenta la digestibilidad del alimento, y se alcan#an te'turas, colores y sabores deseables.
II.2. II.2. ESCALD ESCALDADO ADO $s un tratamiento térmico entre /0 y //C que dura arios minutos, y se aplica a sistemas sistemas tisulares tisulares como etapa preia a otras operaciones operaciones como la congelación congelación,, enlatado, enlatado, liofili#ación o secado. &reia a la congelación se busca la destrucción de en#imas que afectan el color, sabor y contenido itamínico. 1ay dos en#imas ampliamente distribuidas en diersas plantas que son resistentes al calor" la pero'idasa y la catalasa. La medida de su ausencia de actiidad se usa usa norm normalm alment entee como como indi indicad cador or de la efect efecti iid idad ad del del escald escaldad ado. o. 2sí se han han determinado alores para tiempo de escaldado, a saber"
3(4562" 78-. !iempos !iempos de escaldado de egetales antes de congelación $l escaldado puede hacerse con agua, apor, aire caliente o microondas. &ara frutas se usan a eces salmueras con sales de calcio que les proporcionan mayor dure#a por la formación de pectatos de calcio. $n la liofili#ación se acostumbra escaldar preiamente el alimento para que, adem)s de la inacti inactiació ación n en#im) en#im)tica tica y reducc reducción ión de la carga carga microb microbian ianaa descrita descritas, s, se facilite facilite la rehidratación.
2ntes 2ntes de enlatar enlatar se escalda escalda para para remoe remoerr gases gases +especia +especialme lmente nte o'ígen o'ígeno o disuel disuelto% to%,, inactiar en#imas, y limpiar y aumentar la temperatura de los tejidos. Los inconenientes que ocasiona el escaldado son los altos consumos de apor + ton9ton de producto cuando se usa agua y entre -.: y -. ton apor9ton de producto%, lo que implica un gran consumo energético +en algunos casos puede representar hasta el <-= del costo de la energía en un proceso%, pérdida de material soluble de importancia nutricional como proteínas, a#úcares, minerales y itaminas. 3inalmente esta operación puede ser una fuente de polución por la generación de aguas residuales y olores.
II.3. II.3. PASTEUR PASTEURIZAC IZACIÓN IÓN $s un tratamiento térmico que elimina parte de los microorganismos egetatios de un alimento, permitiendo consecuentemente períodos mayores para su almacenamiento y manejo. $l tratami tratamient ento o especí específico fico para para pasteur pasteuri#ar i#ar un aliment alimento o particu particular lar depend dependee de arios arios factores como de la resistencia térmica del microorganismo egetatio o patógeno que se busque eliminar y de la sensibilidad del producto al ca lor. &ara el caso de la leche se usan métodos de alta temperatura > corto tiempo +siglas 1!*! en inglés% a ?: C +@ 3% por 0, o de baja temperatura A largo tiempo +L!L! +L!L!%% a @C +<03% por - minutos. &uesto &uesto que los microo microorga rganism nismos os son menos resiste resistentes ntes en un medio medio )cido )cido se usan usan tratamientos térmicos mas suaes para los alimentos de ése tipo, que son aquellos con p1 B <.0. &ara los moderadamente )cidos, con p1 entre <.0 y 0. , o los poco )cidos , de p1 0., se usan regímenes mas seeros de e'posición al calor. Dtras circunstancias importantes de tener en cuenta son la menor actiidad de agua del alimento que incrementa la termoAresistencia de leaduras y bacterias, mientras que la presencia de etanol y otros antisépticos la disminuye.
II.4. II.4. TINDALIZ TINDALIZACIÓ ACIÓN N $ste $ste tratam tratamien iento to es tambi también én deno denomi mina nado do esteri esterili li#ac #ació ión n inte intermi rmiten tente, te, y cons consist istee b)sicamente en tratamientos térmicos repetitios con descansos entre ellos de apro'imadamente :< horas. $n el primer tratamiento se destruyen las formas egetatias, mientras que las esporuladas que sobreien uelen a la forma egetatia durante el reposo reposo,, para para luego luego ser tratad tratadas as nueam nueament entee con calor calor.. $n general general se efectúa efectúan n tres tratamientos en este tipo de método.
II.5. II.5. ESTERILIZ ESTERILIZACION ACION
*e usa cuando es necesario conserar el alimento durante períodos m)s prolongados. 6ecibe también el nombre de Eapperti#aciónE en recuerdo al pastelero francés 2ppert, que fue quien quien primer primero o lo utili#ó utili#ó.. *e reali#a reali#a con alimento alimentoss preiam preiament entee introd introduci ucidos dos en recipientes cerrados, que se calientan en un aparato llamado autoclae a temperaturas superiores a los --C o se somete al alimento a temperaturas de :-C de calor húmedo y a grandes presiones. *uele disminuir la calidad del alimento en cuanto a sabor, olor y apariencia +propiedades sensoriales%. !ecnología, ambiente y sociedad +Fuliarena, y otros, :---%. $n el caso de alimentos líquidos, se utili#a un procedimiento especial de esterili#ación, denomi denominad nado o 5!1 que consist consistee en aplicar aplicar temper temperatu aturas ras de 0A0 0A0-C -C duran durante te
II.5 II.5.1 .1.. ESTE ESTERI RILI LIZA ZACI CION ON INDU INDUST STRI RIAL AL $s un tratamiento térmico de alta intensidad reali#ado a temperatura suGperiores a --8C, que se aplica para conseguir la esterili#ación esterili#ación comercial comercial permitiendo permitiendo que el producto producto sea suficientemen suficientemente te estable como para permanecer permanecer inalterable inalterable durante durante un largo peGrido peGrido de almacenamiento a temperatura ambiente. $n este proceso se busca eliminar microorganismos patógenos y aquellos que ponen en riesgo la estabilidad del producto en condiciones normales de almacenamiento. 4eneral 4eneralmen mente, te, se aplica aplica a produc productos tos poco poco )cidos )cidos en los que puede puede desarro desarrolla llarse rse el clostridium botulinum. &or su parte, la esterili#ación esterili#ación puede ser aplicada aplicada antes o después después del enasado enasado según las características del alimento"
•
Esteriliz!i"# #tes $el e#%s$& *e aplica a alimentos líquidos, cuya iscosidad permite tranportarlos mediante el empleo de bomb bombas as.. &ara &ara esto esto se utili utili#a #a un circu circuit ito o cerrad cerrado, o, en la que que el liqui liquido do circu circula la sometié sometiéndo ndose se el mismo mismo a etapas etapas de precale precalentam ntamien iento, to, esteril esterili#ac i#ación ión,, enfriam enfriamien iento to y enasado enasado aséptico. aséptico. $ste tratamiento tratamiento suele denominarse denominarse Ultra Alta Temperatura (UAT) y afecta poco a las propiedades organolépticas del aimento adem)s de ahorrar tiempo, mano de obra, energía y espacio.
•
Esteriliz!i"# trs el e#%s$& La aplicación del tratamiento térmico en los productos enasados generalmente requiere de tratamientos preios antes del cierre. $n el caso de algunos productos sólidos estos se
deben escaldar o cer preiamente, para luego proceder a adicionar el liquido de cobertura, cerrado hermético del enase, la esterili#ación y el enfriado final.
III. III.
'ACTOR CTORES ES (U (UE E A'ECT 'ECTA AN LA LA TRAN TRANS' S'ER EREN ENCI CIA A DEL DEL CALO CALOR R La forma en la que el calor es transferido en un alimento enasado, y por ende el tiempo de procesamiento necesario, depende de la naturale#a del producto y del tipo de enase. La elocidad de penetración del calor y su acción sobre los microorganismos y los constituyentes del alimento requiere un conocimiento de sus propiedades intrínsecas, así como de los factores e'ternos capaces de producir alteraciones en su composición, los cuales son detallados en la T)l N* +1. !abla 78 -. 3actores que afectan la penetración del calor +1oldsHorth, //?%.
Ti,& - ,eril $e
Factores relativos al proceso Autoclaves estáticas: la temperatura aumenta lentamente y
te/,ert0r $el
e'iste un retardo importante en el calentamiento del
0t&!l%e
producto con respecto a la temperatura del autoclae.
Autoclaves rotativas: el calentamiento comien#a
Tie/,& $e ,r&!es&
instant)neamente y este es m)s uniforme. 2 mayor tiempo de proceso mayor penetración de calor, y la temperatura del producto tiende a alcan#ar la
Me$i& $e
temperatura del medio de calentamiento. La temperatura en la superficie del enase depende del
Cle#t/ie#t&
coeficiente de transferencia de calor e'terno, h. $l apor tiene un alto alor de h, pero para agua o me#cla de aire con apor este depende de la elocidad y de factores geométricos.
Factores relativos al proceso
Ait!i"# $el e#%se La agitación y rotación del enase mejoran la transferencia de calor interna, dependiendo de la elocidad con la que se realicen y del espacio de cabe#a.
Factores relativos al producto
C&#siste#!i
La composición, la consistencia y el comportamiento reológico controlan la elocidad de penetración del
Te/,ert0r i#i!il
calor. $l proceso es muy sensible a la temperatura inicial, especialmente en productos que se calientan por
C&#te#i$&
conducción. La seeridad del proceso depende de la carga
/i!r&)i&l"i!&
microbiológica inicial, el empleo de materias primas con
i#i!il Pr&,ie$$es
menor contaminación disminuye el tiempo de proceso. La difusiidad térmica es el factor de control m)s
Ter/&si!s
importante. $sta es apro'imadamente igual a la del agua en la mayoría de los productos, y menor a esta en aquellos productos basados en aceite o que tienen baja
A!i$ez ,
actiidad acuosa. La seeridad del proceso depende del p1 del producto. &roductos con p1 <,0 requieren de procesos m)s seeros que aquellos con p1 B <,0 los cuales pueden ser
A$iti%&s
pasteuri#ados. $l agregado de ciertos aditios como por ejemplo nitrito, sal y a#úcar pueden reducir el tiempo de proceso.
Factores relativos al envase
Mteril $el e#%se
$ntre ellos podemos mencionar" aluminio, hojalata, idrio, pl)stico y materiales laminados. La conductiidad térmica y el espesor del material determinan la elocidad de penetración del calor. 5na menor conductiidad térmica y mayor espesor como se presenta en los enases de idrio, producen un retardo
'&r/ $el e#%se
considerable. La superficie e'terna y el espesor del enase determinan la elocidad de la penetración del calor.
I6.
TERM TERMO ORRES RRESIISTE STENCIA NCIA DE LOS LOS MICR MICRO OOR OR7 7ANIS ANISM MOS &ara determinar el tiempo de tratamiento térmico al cual un alimento debe ser sometido para alcan#ar inocuidad microbiológica es necesario conocer la termorresistencia, tanto de los microorganismos, como de las en#imas presentes en el mismo, así como también disponer de datos para determinar la elocidad de penetración de calor en el enase durante el tratamiento térmico. $n cuanto a la termorresistencia de los microorganismos esta depende de la actiidad acuosa del medio y de su acide#. $n este sentido Caps y 2bril +///% clasificaron a los alimentos en cuatro grupos de acuerdo a su p1 + T)l N *
+2%. T)l N* +2. Clasificación de los alimentos por su acide#. A!i$ez $el li/e#t&
E8e/,l&s
2lim 2limen ento toss de de baj bajaa aci acide de## +p1 +p1 0, 0,%%
&rod &roduc ucto toss c)r c)rni nico cos, s, prod produc ucto toss mar marin inos os,,
2limentos de acide# media
leche y ciertas hortali#as. Ie#clas de carne y egetales, sopas y
+0,p1<,0% 2limentos )c )cidos +< +<,0 p p1,?% 2limentos mu muy )c )cidos +p +p1B,?%
salsas. !omates, tes, peras, higos, an anan) y otras fr frutas. as. $ncurtidos, po pomelo y jugos cí cítricos.
(J.. MODELADO MATEM9TICO DE LA TERMODESTRUCCIÓN MICRO:IANA. &ara &ara mode modela larr la inac inacti tia aci ción ón micr microb obio ioló lógi gica ca,, en#i en#im) m)ti tica ca o la degr degrad adac ació ión n de componentes termol)biles se emplea la ecuación general para el estudio cinético de reacciones +ecuación %"
−dC dt
=k n C n … … … … . ( 1 )
donde C es la concentración de la especie reaccionante al tiempo t , kn es la elocidad elocidad de reacción específica, específica, con unidades Kconcentración KconcentraciónnA nA KtiempoA y n es el orden de la reacción. reacción. La concentració concentración n de los reactantes reactantes puede ser el número número de microorgan microorganismos ismos o la concentración de algún componente nutricional del alimento. &or lo general, cuando una suspensión de microorganismos es calentada a una temperatura constante el número de microorganismos iables + N % disminuye siguiendo una cinética de reacción de primer grado +ecuación :%"
−dN dt
= kN ……… . ( 2 )
para 7 , la población microbiana en una unidad de masa o olumen, y M una constante o elocidad de reacción, que depende del microorganismo y su medio e'terno. Llamando 7- la población inicial, en el tiempo tN-, e integrando la e'presión anterior,
n 7 A n 7 - N A Mt, que también puede e'presarse como,
. OOO..+%
$sta
última
e'presión es una ecuación de una línea recta si se llama y N log 7"
y = y 0 + mt , para para y 0=logN logN y m = pendiente =
−k 2.303
4r)ficamente, para una temperatura !
3(4562 : &oblación microbiana en el tiempo para una temperatura !, también llamada cura de inactiación o de superiencia.
*i se llama P al tiempo +min% para que la población original se redu#ca a un décimo +7N7-9-%
+<%
$'presando la ariación de la población en términos del tiempo de reducción decimal P"
+0%
P es el tiempo entre dos ciclos de la figura :. 797 - se conoce como probabilidad de deterioro y debe tener un alor menor que .
I6.2.6ALOR DE ESTERILIZACIÓN ACEPTA:LE DE UN PROCESO QCu)l deber) ser el niel seguro de concentración de microorganismos después de un tratamiento térmico en un alimentoR &ara los alimentos no )cidos +p1 0.% el criterio aceptado es el que utili#a como microorganismo indicador al Clostridium Botulinum que Botulinum que deber) er reducida por el calor su población inicial hasta - : eces, esto corresponde a un tiempo igual a :P. 2lgunos autores llaman a este alor tiempo de muerte térmica +!I!%, otros lo llaman el alor 3 de cierta temperatura. F t =n D t ( 6 )
n es el número de reducciones decimales requeridas para la muerte térmica de una población particular a una temperatura dada.
$'presando la ariación de la población en términos del tiempo de reducción decimal D" D" t
N =−t ó N = N 0 10 D ( 7 ) Dlog N 0
E8e/,l& 1; *i el tiempo de reducción decimal a :.C en un sustrato de C. Botulinum es -.:< min, calcular el alor 3 a tal temperatura, aplicando el concepto :P, si la población inicial es de -- esporas.
n =log
( )= N 0 N
log100 −log ( 10
−12
)=14
F t =n D t = F 0=n D 0=0.24 ( 14 )=3.30 min
&ara &ara alime aliment ntos os de baja baja acide acide#, #, la tempe temperat ratur uraa de :. :. CN CN:0 :0- -3 3 se deno denomi mina na de referencia y se denota con el subíndice cero.
I6. I6.3.Deter/i#!i"# 3. Deter/i#!i"# $e %l&res $e D 0s#$& l t
+S%
I6.4. I6.4. DEPENDENCIA DEPENDENCI A DE LA TEMPERATURA TEMPE RATURA = 6ALOR 6ALOR Z
'i0r N* +3. Re$0!!i"# $e!i/l ,r $iere#tes te/,ert0rs.
1asta ahora se ha considerado solamente lo que pasa a una temperatura !. si se estudia lo que sucede a otra temperatura temperatura diferente !, debe primera conocerse la dependencia de la elocidad de reacción M con la temperatura"
k =aEXP (
− Ea RT
) > e# $&#$e> si ? est e# /i# @1
+/%
a" es un factor constante +minA % $a" es la energía de actiación +Tcal9mol ó TF9mol 6" constante uniersal de los gases !" temperatura absoluta en T *e cumplir) entonces que
ln k 1 =lna −
Ea
R T 1 para la temperatura !
Ea lnk =lna − RT para la temperatura !
Restandoestas dos igualdades :
ln
( )
− E a 1
ln
( )
− Ea
(
)
ln
( )
− E a
(
)
k 1 k
k 1 k
D D 1
=
=
R
(
T 1
−
)
1 , que en términos de logaritmo decimal es" T
1 1 − , $n función de P quedaría" 2.303 R 2.303 R T 1 T
=
1 1 − 2.303 R 2.303 R T 1 T
=
− Ea
( T −T 1 )
2.303 R 2.303 R T 1 T
Z =
log
( ) D D 1
=
( T 1−T ) z
ó
−2.303 R 2.303 R T 1 T Ea
T ( ¿¿ 1−T ) z ¿ D = D 1 10
&ara PNP9-, la igualdad da #N!A! $l incremente de temperatura !A! necesario para que el tiempo de reducción decimal se redu#ca a la décima para es el alor U.
3igura 78 -<. Pependencia de P s !emperatura !emperatura !
I6.5.CUANTI'ICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS La pr)ctica histórica ha definido ciertas EunidadesE aceptadas internacionalmente como referen referencia cia para para compar comparar ar distin distintos tos tratami tratamient entos os térmico térmicos. s. &ara &ara la esterili esterili#aci #ación ón de alimentos enlatados la unidad adoptada es" !emperatura" !emperatura" :.C N :0-3 !iempo, medido a ésa temperatura en minutos N 3 &ara el caso de pasteuri#ación de bebidas" !emperatura" !emperatura" @-C, tiempo, a @-C, en e n minutos N 3 $l alor de 3 - corresponde al !I! del microorganismo patógeno que se aya a eliminar a las temperaturas de :.C ó @-C, según se trate de esterili#ación o pasteuri#ación. 5tili#ando la e'presión que relaciona P con los cambios de temperatura"
( T 1 −T )
D = D 1 10
z
+-%
$l incremento de temperatura temperatura ! A ! necesario para que el tiempo de reducción decimal se redu#ca a la décima parte es el alor #. !ambién # es el interalo de temperatura que ocasiona una ariación de - eces en la elocidad de una transformación. $n los procesos de tratamiento térmico de los alimentos enasados herméticamente, se considera satisfactorio cuando la probabilidad de ocurrir microorganismos ios capaces de que se desarrollen y, que causen deterioro en el alimento es de "--- enases. Pe esta forma, el tiempo de tratamiento tratamiento térmico ir) a depender depender de la naturale#a química química del alimento alimento y de las condiciones de almacenamiento. *i ! es :. C en esterili#ación ó @-C en pasteuri#ación queda"
t =TT 121.1 10
t =TT 250 10
t =TT 60 10
121.1 −T z
250 −T z
= F 0 10
= F 0 10
60 − T z
= F 0 10
121.1 − T z
250 − T z
60 − T z
en esteriliza!ión esteriliza!ión ( " C )
enesteriliza!ión ( " F )
en pasteuri pasteuriza!i za!ión ón ( " C )
Pe allí se puede encontrar el alor equialente de cualquier tratamiento térmico ejecutado a una temperatura diferente a las de referencia" ( T −121.1 )
F 0 =t [ 10 ]
z
enesteriliza!ión ( " C )
( T −250 )
F 0 =t [10 ]
z
enesteriliza!ión ( " F )
( T −60 )
F 0 =t [ 10 ]
z
en pasteuriza!ión ( " C )
Los efectos de procesos sucesios a diferentes temperaturas son aditios. &ara considerar el efecto del proceso total se ealúan las diersas etapas, cada una en un período y temperatura determinados; los alores de 3 - de cada etapa se suman para obtener el alor total de 3-.
6.
LAS CUR6AS DE PENETRACION DE CALOR $n este proceso es importante conocer el punto del producto enasado cuya temperatura es mínima, es decir, el punto de menor calentamiento. Va que este punto es el que recibe un menor grado térmico, y en el que puede que no se llege a reali#ar un tratamiento adecuado. &or ello, es necesario conocer la cura de penetración de calor en este punto, ya que da la ariación de su temperatura con el tiempo de calentamiento. La determinación de la cura de penetración para un producto y enase determinados suele suele reali#a reali#arse rse e'perim e'periment entalm alment ente, e, aunque aunque en alguno algunoss casos casos puede puede determ determinar inarse se de modo modo apro'i apro'imad mado o median mediante te método métodoss analíti analíticos cos.. $stos $stos último últimoss supon suponen en que el calor calor penetra en el alimento por conducción, lo que sólo es cierto en alimentos sólidos, calculando la temperatura del centro geométrico en función del tiempo. *in embargo, para productos líquidos esto no se cumple, ya que la transmisión de calor no es únicamente por conducción, debe tenerse presente su componente conectia. 2dem)s, el punto de menor calentamiento no coincide con el centro geométrico. geométrico. Cuando Cuando el enase que contiene el alimento alimento se introduce introduce en el dispositio dispositio de tratamiento térmico, que se halla a una temperatura ! e, se obsera que la temperatura del alimento a aumentando paulatinamente. $s importante conocer la eolución de la temperatura del punto de menor calentamiento +!c%, ya que que éste éste es el punt punto o que que reci recibe be un menor menor trat tratam amie ient nto o térm térmic ico, o, y debe debe aseg asegur urar arse se que que la carg cargaa micr microb obia iana na sea sea elim elimin inad adaa correctamente. $n el caso de que la transmisión de calor se reali#ara por conducción, el punto de menor calentamiento coincide con el centro geométrico. *in embargo, si s i en el calentamiento no se corresponde con el centro geométrico, sino que se halla situado en el eje ertical pero m)s cercano al fondo del enase. &ara &ara cara caract cter eri# i#ar ar la pene penetr trac ació ión n del del calo calorr en el alim alimen ento to,, se suel suelee real reali# i#ar ar una una representación gr)fica de los datos de la ariación de la temperatura en el alimento con el tiempo de calentamiento. *e toma como temperatura del alimento la de centro geométrico !c o !, y se obsera obsera que al represen representar tar el logaritm logaritmo o de gN +! eA!% frente al tiempo de calentamiento se obtiene una función lineal. 5tili#ando una gr)fica semilogaritmica se representa en el eje de ordenadas de lado i#quierdo +! eA!%, y en el eje de ordenadas de la
derec derecha ha,, los los alo alores res de !N! !N!eAg +figu +figura ra 0%. 0%. $n este este últim último o eje, eje, apare aparece cen n los los cicl ciclos os logarítmicos de !eA a !eA- y a !eA--.
3igura 0. Cura de penetración de calor
3igura @. 4r)fica de los datos de la cura de calor 2 partir de esta gr)fica, la temperatura del producto se puede representar en forma semilogaritmica frente al tiempo, para lo que se inierte el papel semilogaritmico S-8 y
marca marcand ndo o la línea línea supe superi rior or con con un núme número ro equi equia alen lente te a !eA. A. $l sigu siguie iente nte ciclo ciclo logarítmico se marca con un número equialente a ! eA- y el tercer ciclo con un número equialente a !eA--. $ste tipo de grafico se representa en la figura @. Cuando Cuando los alimentos alimentos enasados se colocan colocan en el interior interior del dispositio dispositio de tratamiento térmico e'iste un periodo de inducción antes que la temperatura temperatura del alimento empiece a aumentar. $sto hace que en las figuras 0 y @ la cura de penetración de calor no sea lineal al inicio de la operación. 2 partir de la figura @ es posible determinar la temperatura pseudoinicial ! ip al prolongar la línea recta de la cura y cortar el eje de ordenadas. Con esta temperatura y las temperaturas temperaturas inicial !i y la del dispositio de tratamiento ! e, se calcula calcula j jh. $l alor f alor f h se obtiene de la parte lineal de la cura de penetración del calor tomando el alor de la ine iners rsaa de la pend pendie ient ntee de esta esta rect rectaa para para un cicl ciclo o loga logarí rítm tmic ico o en la cur curaa de calentamiento.
6I. A.
MÉT MÉTODO DOS S PA PARA DETER TERMIN MINAR LA LET LETALID LIDAD MÉTODO GRAFICO $l niel de esterili#ación se e'presa como el tiempo y la temperatura de tratamiento para cada cada tipo tipo de prod produc ucto to,, form formaa y tamaW tamaWo o de ena enase. se. *i el prod produc ucto to se trata trata a una una temperatura fija, el tiempo de tratamiento se obtendr) directamente de la ecuación t R t T = +% # *in embargo, la temperatura del producto aria, no solo con la posición, sino también con el tiempo. &or eso, se suele establecer que el tiempo se mida desde que se alcan#a la temperatura de trabajo hasta que finali#a el calentamiento. &ara una temperatura ariable con el tiempo de tratamiento, es necesario integrar para obtener el grado de reducción requerido" C 0 C t
( ¿ )=∫ 0
d t
+:%
D T
log ¿ &ara resoler el término integral debe conocerse como aria el tiempo de tratamiento o de reducción decimal, a cada temperatura, con el tiempo de calentamiento. &ara lo que es necesario conocer preiamente la ariación de la temperatura con el tiempo +cura de
penetración%. $'isten diferentes métodos de resolución, sin embargo se utili#ara únicamente el de la cura !P!. &ara asegurar un tratamiento térmico de adecuado, el término integral de la ecuación +:% debe debe ser ser sup superio eriorr al grad rado de redu reducc cció ión n n prees reesta tab bleci lecido do para para cad cada tipo tipo de microorganismos y producto" t
t
d t
∫ D =∫ D # 0
T
0
dt$n
+: a%
R
V como el tiempo de tratamiento tratamiento o de muerte térmica a una determinada determinada temperatura temperatura es función del de reducción decimal +3 ! N n P!%, se obtiene" t
d t
t
T
0
∫ F =∫ F # 0
dt $ 1
+: b%
R
$l alor del término integral se puede resoler gr)ficamente la presentar 9t! frente al tiempo y obtener el )rea por debajo de la cura entre dos tiempos, de tal forma que su alor sea como mínimo . $n el caso que se utilice el tiempo de reducción decimal, debe presentarse 9P! frente al tiempo, debiendo ser el alor del )rea de la cura superior al grado de reducción n +figura ?%. &ara conocer los alores de los tiempos de tratamientos o de reducción decimal para cada temperatura, es necesario reducir a las ecuaciones y <. t 1 =t R 10
D 1= D R 10
T R − T 1 Z
T R − T 1 Z
+%
+<%
3igura ?. Iétodo gr)fico de la ealuación de la letalidad
B. MÉTODO MATEMTICO MATEMTICO $l método matem)tico utili#a la ecuación ? para el c)lculo del tiempo de procesado. $ste tiempo se puede calcular si se conoce el alor f h, la diferencia de temperaturas !eA!i, el factor factor de inducc inducción ión térmica térmica jh y el alor g de la diferencia de temperatura entre este dispositio de tratamiento ! e y el punto de menor calentamiento al final del procesado térmico. 2 partir de la cura de penetración del calor +figura @% se pueden determinar los tres primeros par)metros, mientras que el factor g no se obtiene con tanta facilidad, ya que no se puede saber a priori cual es la temperatura final para asegurar el niel adecuado que asegure la esteilidad del alimento. $ste método fue desarrollado originariamente por Xall y est) basado en la integración de los efectos efectos letales letales produc producido idoss por la relació relación n tiempoA tiempoAtem temper peratu atura. ra. *e puede puede aplicar aplicar cuando cuando la cura cura de penetr penetració ación n de calor, calor, en coorde coordenad nadas as semilog semilogarit aritmic mica, a, es recta recta después de un periodo inicial de inducción. La ecuación desarrollada por Xall +ecuación ?% tiene en cuenta los efectos letales de la fase de enfriamiento. *e define un par)metro U que es el tiempo requerido para que a la temperatura del dispositio de tratamiento se llee a cabo la misma cantidad cantidad de destrucción destrucción microbiana, microbiana, equialente equialente al alor F del proceso" % = F F R= F 10 F 10
T R − T e z
+0%
en la que F que F es el tiempo a la temperatura temperatura T equialente a minuto a :8C +*tumbo et +*tumbo et al.! /S%. *tumbo y Longley +/@@% resurgieron la incorporación de otro par)metro f h95, y se han publicado tablas de este par)metro en función de g para diferentes alor de #. *tumbo et al., +/S%. +/S%. $n la figura se da una de ellas para el caso de #N-C. &ara obtener estas tablas *tumbo tomo datos de enase para tener distintos alores de j h . $stas tablas suponen que la transmisión de calor es solo por conducción, y reali#a suposiciones no arbitrarias acerca de la forma de los perfiles de la temperatura en la fase de enfriamiento. $ste método est) limitado por la fase de interalo d jh y errores de redondeo en los c)lculos numéricos. !ambién se pueden encontrar gr)ficos que permiten obtener el alor de g al final del tratamiento, n los que en coordenadas semilogarítmicas se representa f h 95 frente al log g, para diferentes alores de #, y en las que se obtienen diferentes curas dependiendo del alor de j +!oledo, +!oledo, /S-; !ei'eira //:% $l tiempo de procesado calculado por este método, suponde que cuando los enases se introducen en el dispositio de tratamiento la temperatura del mismo es ! e, esto solo ocurre en dispositios que trabajan de forma continua. *in embargo, en el procesado discontinuo e'iste un tiempo de inducción hasta que el aparato adquiere la temperatura de tratamiento. &ara corregir el aporte de este tiempo de inducción a la letalidad global, Xall +/:% suponde que el <-= de este tiempo de inducción contribuye al procesado térmico, con lo que el tiempo real de procesado ser)" t R= & −0.4 t l
*iendo
t l
+@%
el tiempo de inducción para que en el dispositio se alcance la temperatura
de tratamiento !e. $n la industria industria de los alimentos enlatados, enlatados, esterili#ados o pasteuri#ado pasteuri#ados, s, los estudios estudios de penetración de calor se reali#an resoliendo re soliendo la ecuación de destrucción microbiana, en las distintas formas que puede presentarse, lo que significa determinar el efecto letal del calor calor en proceso procesoss de esterili esterili#aci #ación ón de conser conseras, as, en la actualid actualidad ad e'isten e'isten dierso diersoss métodos de c)lculo. *on de destacar" Iétodo 4eneral +X(4$LDY y $*!V, /:-%; Iétodo 3órmula +X2LL y DL*D7, /0?, modificado por *!5IXD, /?%; Iétodo de !ei'eira +!$(Z$(62 et al., /@/%; Iétodo de 1erndon +1$67PD7 et al., /@S%; Iétodo de 3lambert y Peltour
+3L2IX$6! y P$L!D56, /?:%; Iétodo de 1ayaMaHa +12V2T2Y2, /?-% y el Iétodo de Len# +L$7U, /??%. 2 continuación describiremos los métodos m)s importantes" J(.. MÉTODO :I7ELO PARA E6ALUACIÓN DE LA ESTERILIZACIÓN Cuando se esterili#a en una retorta o autoclae la temperatura no es constante en el tiempo sino que aría continuamen continuamente te con él, la e'presión en este caso para el c)lculo de 3- es" T −121.1
¿ ¿ ¿ z ¿¿
10
t = t
F 0=
∫¿
t = 0
"(t) es "(t) es una función del tiempo que algunos autores denominan Letalidad, otros Jalor de destrucción biológica. Los alores de letalidad para el Clostridium Xotulinum, y los dem)s microorganismos que tengan un alor de # N - se relacionan, para un rango común de temperaturas de esterili#ación, en la !abla !abla 7 -.
!abla !abla 78 -. Letalidad de microorganismos de # N -c
Te/,ert0r BC 5 5.5 .5 .5 F F.5 .5 1++ 1++.5 1+1 1+1.5 1+2 1+2.5 1+3 1+3.5 1+4 1+4.5 1+5 1+5.5 1+ 1+.5 1+ 1+.5 1+F
Letli$$ L
Te/,ert0r BC
Letli$$ L
Te/,ert0r BC
Como
Letli$$ L puede
-.--: -S.0 -.-00 :: -.-- -/ -.-@ ::.0 -.-- -/.0 -.-@/ : -.-- -.-?? :.0 -.--< -.0 -.-S@ :< -.--< -.-/? :<.0 -.--0 .0 -.-/ :0 -.--@ : -.:: :0.0 -.--@ :.0 -.? :@ -.--? -.0< :@.0 -.--S .0 -.? :? -.--/ < -./< :?.0 -.--/ <.0 -.:S :S -.- 0 -.:<< :S.0 -.-: 0.0 -.:?< :/ -.- @ -.-S :/.0 -.-0 @.0 -.<0 -.-? ? -.SS -.0 -.-/ ?.0 -.<0 -.-: S -.
.::@ .?@ .0<< .? ./<< :.S :.<
afectan de manera pr)ctica los c)lculos. Los alores de 3 - para un determinado determinado producto producto recomendables recomendables se deben apro'imar a los !I! !I! del microor microorgan ganism ismo o indicad indicador or patóg patógeno eno de cada cada aliment alimento. o. Los Los alore aloress pr)cticos depender)n adem)s del tamaWo de la lata en e n la que se an a empacar y de los resul resulta tado doss de come comerci rciali ali#ac #ació ión n que que seWal seWalen en un trata tratami mien ento to con conen enie ient ntee para para la conseración del alimento. $n la !abla 78 -< se relacionan algunos de estos alores.
!abla 78 -<. Jalores de 3 - para arios alimentos enlatados +12V$*, +12V$*, /S?%.
Pr&$0!t& Ali/e#t&s i##tiles A%es e#ters e# sl/0er Cr#e !&# !0rr- - &rtlizs Cr#es e# s0 sls Cili !&# !r#e C/,iG&#es e# sl/0er Es,Jrr&s 70is#tes e# sl/0er Le!e e%,&r$ Mz> /z&r! e#ter e# sl/0er Nt Psteles $e !r#e P&ll& $es0es$& S&, $e !r#e S&,s $e !re/ Sl!i!s r#?0rt e# sl/0er Sl!i!s 6ie# e# sl/0er Z#&ris 6I.2 I.2.
T/G& T/G& $el
6l&r 6 l&r $e '+ >
e#%se
,r&Hi/$&
Compota 2: 9: [, 21asta @U 2 Jarios 2 2 1asta 2: 1asta @ o#.
A0 0 > S S > : : > 0 @ S > :>< @ <
78:
/
-- A 0 gr &lanos !odos 1asta @U 2 A @U 1asta 2-
>< @>S <>0 @ > -
1asta @U
><
Jarios 2
0 ><
METODO DE LA LA 'O 'ORMULA : :ALL - OL OLSON> 15 15> /&$ /&$ii! i!$& ,&r ,&r
STUM:O> 13 Pesarrollado por Xall , que ealúa la letalidad del tratamiento térmico, teniendo como entaja sobre el general que una e# obtenidos los datos del historial tiempoA temperatura y los factores calculados mediante este método, se puede aplicar a procesos semejantes del mismo producto bajo condiciones diferentes de procesamiento +*tumbo, /?%. &ara considerar los efectos de la operación de un autoclae puede usarse el siguiente método. *ean"
T# $ !emperatura !emperatura de proceso del autoclae o retorta retort a To$ To$ !emperatura inicial del punto mas frío del enlatado T $!e $!emperatura mperatura del punto mas frío del enlatado en e n un tiempo t TA N TA N !emperatura !emperatura inicial aparente
fh $ !iempo necesario para que la cura de penetración atraiese un ciclo. *e llama par)metro de respuesta de temperatura en la cura de calentamiento. $n la 3igura < se muestra una cura de calentamiento en papel semilogarítmico. $l propósito del método es describir esta cura con una ecuación lineal.
3igura S. 3igura típica de una cura de calentamiento. La forma general de esta ecuación lineal es"
lo% (T# & T) $ lo% (T# & TA) & (#' fh) t
+S%
La e'presión e'presión +S% es la ecuación de la línea recta que se ajusta a buena parte de la cura de penetración, pero que al comien#o tiene un desfase con ella representado en el e'tremo i#quierdo por una importante diferencia entre los interceptos +t N -%" Diferencia $ lo% (T# & TA) A lo% ( T# & T) $ lo% ( jh )
+/%
6eempla#ando la ecuación +S% y +/% se tiene que " lo% +T# &TA) $ lo% jh (T# & T)* & (#' fh) t
+:-%
+:% jh se jh se denomina factor de retraso pues describe el tiempo que transcurre para que el punto mas frío del enlatado llegue a alcan#ar la #ona lineal de respuesta a la temperatura + fh%. fh%. Xall propuso un método que tiene en cuenta el hecho de que los autoclaes o retortas tienen un tiempo para alcan#ar su temperatura de operación. &or ello sugiere utili#ar un tiempo tB( tiempo tiempo de procesamiento de Xall% dado por" BN -.<: tC + t,
+::%
3igura / !érminos utili#ados por Xall en su método de c)lculo . •
t, es es el tiempo durante el cual la retorta est) a la temperatura de operación.
•
tC +Come +Come 5p !ime A C5! A% es el tiempo en el que la retorta alcan#a su temperatura de operación contado a partir del momento en el que se abre la )lula de apor de calefacción +normalmente es del orden de - minutos%.
$n la fig figura ura - y se muest uestra ra una una cur curaa de cale calen ntami tamien ento to y enfr enfria iam mient iento o respectiamente incluyendo la corrección de C5!.
3igura -. 3igura típica de una cura de Calentamiento
3igura . 3igura típica de una cura de enfriamiento
&ara calentamiento las e'presiones correspondientes son"
B! "#$lo%&'#(T) *T+,- * lo%(%,
+:%
lo% (%, ! lo% & '#(T) * T+,- * ()/ "#0, tB
+:<%
&ara enfriamiento las e'presiones correspondientes son"
B ! "#$lo%&'c(T1+ *T2,- * lo%(%, +:0%
l& (%, ! l& K 'c( T1+ * T2 , @ )/ "c tB
+:@%
Pada una información de tiempo A temperatura para el punto m)s frío del producto y la temp temper erat atur uraa de oper operac ació ión n del del auto autocl cla ae, e, se encu encuen entr traa el alo alorr de %de %- anal analíti ítica ca ó gr)ficamente se haya jh haya jh y fh. Xall define U define U como como el alor F alor F a a la temperatura de la retorta. *i " *i " es es la letalidad a la temperatura de la retorta"
L 1+ T1@25+1F 1+ T1 @121.11+ 5tili#ando la figura S se halla el alor de 5 se encuentra el 3o del proceso
F + ! 34
+:?%
3igura 78 :. Jalores de %(C) de %(C) en función de los alores de fh'U de fh'U para para alores de j de j en en el enfriamiento y en el calentamiento para microorganismos con #N-C.
3igura 78 . Jalores de 4 +83% en función de los alores de para alores de F en el enfriamiento. &ara usar alores de j distintos de , hago lo siguiente" ' g /' g () = g () −1+( () −1 ) ¿
8
$n las tablas anteriores se muestran los alores de g s fh95 para distintos alores de j. $l método propuesto por *tumbo es idéntico al de Xall, con la mejora que, a diferencia de este, él permite que aríe el alor de j en el enfriamiento +Xall supuso para j un alor constante de .<A1osahalli y otros, //?A%. La limitación del método de *tumbo est) en que solo se recomienda para alores de fh idénticos en el calentamiento y el enfriamiento. Los alores típicos de # son de -3para pasteuri#ación y -C +S3% para esterili#ación. &ara c)lculos de pérdida de nutrientes # est) por encima de <-3 +!oledo, //%.
MÉTODO DE LENZ 1
J(..
$l método de Len# Len# propone el uso de la siguiente ecuación"
ln
N 0
t
= a∫ e− ER T dt OOOOO.+:S% N 0 g
la cual es una fórmula adimensional para el c)lculo del tiempo de esterili#ación, con la incorporación de T * 1 * 1
k *
como la constante cinética conocida para una temperatura
que coincide con la temperatura del medio calefactor
∝
. ln
N 0 N
k * R
Ponde
* =∝
2
*
=∫ exp 0
( ( )) − E 1 1 − R g T
T *
d*
T s
. 2sí"
+:/%
t R
2
, al primer miembro de la e'presión +:/% se le denomina índice de
letalidad y se e'presa por L. L N índice de letalidad N Aa (n '9M 6:.
l N mitad de la altura del enase. 6 N radio del enase. r N posición en la dirección radial.
R5 N constante de los gases. ! N temperatura. !, N temperatura de referencia, normalmente igual a T5. T5.
T5 N temperatura del autoclae. !i N temperatura inicial. t N tiempo. cp N r96 N posición radial adimensional.
T N número de 3ourier N a t96:.
Len# y Lund +/?S% desarrollaron una ecuación para describir la transferenciade calor de alimentos líquidos líquidos en este tipo de equipos, equipos, ealuando ealuando efecto del tamaWo del enase, enase, la iscosidad del fluido, temperatura del apor de calentamiento y la elocidad del riel. $stos inestigadores estimaron el coeficiente conectio de transferencia de calor en las paredes de la lata usando un programa computacional y datos e'perimentales de temperatura y tiempo. Xasados en los datos obtenidos generaron la e'presión que se presenta en la ecuación -
7u N 0 \ 0 6e]-. &r] -.-S -.-S
+-%
Iientras que Len# y Lund generaron modelos matem)ticos en sistemas con partículas esféric esféricas as en retort retortas as sterilm sterilmatic atic y el coefic coeficient ientee de transfe transferenc rencia ia de calor calor para para la inte interf rfas asee flui fluido doAp Apar artí tícu cula la fue fue dete determ rmin inad ado o a tra traés és de la ley ley de enfr enfria iami mien ento to 7eHtoniano; encontraron que la magnitud de dicho coeficiente es una función de las propiedades de fluido, de la elocidad de rotación de la retorta y desarrollaron una ecuación para predecir el coeficiente de transferencia de calor para la interfase del fluido con la pared del enase en presencia de partículas esféricas, tal y como se muestra en la ecuación 7u N ^ \ 06e]-.:S&r-]
6II. 6II.
+%
RE'E RE'ERE RENC NCIA IAS S :ILI :ILIO7 O7RA RA'I 'ICA CAS S •
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6III. ANEOS
3igura <. 7otaciones
