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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
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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.
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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)
Para el cálculo F0 se emplea el valor velocidad
letal, asociado a la temperatura, éste se
representa como:
(1)
Donde
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:
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
otras temperaturas, el tiempo de procesamiento
puede ajustarse a un tiempo equivalente a 250°F
con la siguiente ecuación (Sharma, 2003):
(3)
Donde
FT [min]: tiempo de procesamiento
El 50 corresponde al valor de z (min) para el C.
botulinum.
Método trapezoidal
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:
(4)
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)
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)
OBJETIVOS
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.
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.
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.
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
0
50
100
150
200
250
0 20 40 60
T (°
F)
t (min)
Centro
r/2
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 Valor de F0 (min)
Bigelow 4,27
Trapezoidal 4,27
Simpson 4,20
Patashnik 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) T (ºF) F0
0 85 0,77
8 222 3,99
16 233 4,26
24 108 4,27
32 74 4,27
40 51 4,27
48 42 4,27
56 38 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 10 psi (68,95 kPa)
Temperatura vapor 89,52ºC (193,136 ºF)
Radio Lata (x1) 0,0421 m
Altura media Lata (y1) 0,02065 m
h vapor 3000 W/m2K
Tabla 4. Propiedades físicas del atún enlatado
k (W/mK) 0,55625
cp (J/kgK) 3578,38
ρ (kg/m3) 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
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:
(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.
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.
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24 de 2011>