Curso: Tecnología de alimentos IProfesor: Antonio Matos Alejandro

CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR CALOR

Introducción

Uno de los procedimientos físicos de que dispone la tecnología de alimentos para aumentar la vida útil de los mismos es la destrucción de los microorganismos por la acción letal del calor. Existen dos modalidades de tratamiento térmico: la pasteurización, que pretende fundamentalmente la higienización del alimento, y el otro, esterilización, cuyo objetivo es la destrucción de los microorganismos presentes esporulados o no, o al menos todos aquellos que puedan multiplicarse en el producto final. Con el primero se intenta conseguir un alimento exento de microorganismos patógeno no esporulados y con el segundo, la obtención de un alimento microbiológicamente estable para poderlo almacenar durante largo tiempo a temperatura ambiente.

Los alimentos que han sido conservados de esta manera se envasan en recipientes herméticos (latas, frascos, botellas, plásticos), para evitar una nueva contaminación.

El francés Nicolás Appert (1804), envasó diferentes tipos de alimentos (sopas, carnes, huevos, leche, crema, verduras, frutos y jugos) en frascos y botellas, cerró los envases con un corcho reforzado con alambres y los calentó durante un largo tiempo en agua hirviendo, logrando así conservarlos. Los científicos, concluyeron que el éxito era debido a un efecto misterioso y mágico del aire con el recipiente aislado con el alimento y que evitaba su putrefacción.

La base científica de la conservación térmica fue investigada por Pasteur en 1866 en su informe conservación de vinos por medio del tratamiento térmico, en 1876 demostró que la levadura es un ser vivo.

Las ventajas del nuevo método frente a sistemas tradicionales de conservación (ahumado, curado, desecado) eran evidentes, durante el tiempo de conservación, mantienen de una manera adecuada su valor nutritivo, aspecto y sabor.

El tratamiento térmico desarrolló la industria conservera permitiendo el diseño-ingeniería, tecnología, soporte científico y marketing. Se inventó la lata sanitaria durante la década del año 30, el revestimiento de la lata permitió utilizarla para alimentos corrosivos.

Los adelantos de los últimos años comprenden: desarrollo de métodos para mejorar la transferencia de calor por medio de agitación, autoclaves continuas, esterilización hidrostática, envasado aséptico, esterilización por medio de gases, esterilización en frío.

El enlatado al aislar el producto del medio ambiente se constituye en una barrera física que protege al alimento de golpes, rayos solares, y al mantener en su interior una baja tensión de oxígeno, controla los deterioros químicos de oxidación de lípidos entre otros. El deterioro enzimático es controlado por el tratamiento térmico (escaldao/blanqueado). Además el enlatado permite un mejor manejo del producto durante el almacenamiento, transporte y comercialización.

Mediante el tratamiento térmico se destruyen algunos antinutrientes (ejm inhibición de la tripsina en las legumbres), se incrementa el contenido de algunos nutrientes (ejm mejora la digestibilidad de las proteínas, gelatiniza los almidones y libera la niacina ligada) y los parámetros del proceso pueden controlarse con facilidad.

Los microorganismos sometidos a una fuente de calor, van a sufrir daños que pueden llegar hasta la destrucción total, dependiendo del tipo de calor, la característica y resistencia del microorganismo, de la temperatura y tiempo de exposición.

Tipos de calor

Es interesante conocer o recordar el concepto de calor antes de entrar de lleno a tratar el tema planteado. Termodínamicamente calor es una interacción energética entre un sistema y sus alrededores, a través de aquellas porciones de los límites del sistema en que no hay transferencia de masa, como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

Se distinguen dos tipos de calor:

Calor húmedo: Cuando el medio de transferencia del calor es el agua, en forma de vapor.

Calor seco: Cuando el medio de transferencia de calor, es un gas como el aire.

Los efectos de cada tipo de calor en los microorganismos son diferentes. A un mismo nivel de temperatura, el daño causado por el calor húmedo es mucho mayor que el calor seco. En el caso del calor seco, la destrucción es debida a una oxidación, y en caso del calor húmedo es debido a la desnaturalización de la proteína.

Un tratamiento térmico no debe ser excesivo, a punto de causar profundas alteraciones de sabor y pérdida del valor nutritivo en el producto. La intensidad de éste tratamiento está dada por el microorganismo más resistente al calor en ese alimento. El factor selectivo más importante que va a determinar la flora microbiana en el alimento y consecuentemente la intensidad del tratamiento térmico es la acidez dada por el pH. Otro factor selectivo importante en la flora microbiana de deterioro que forma esporas, es el requerimiento de oxígeno.

Clasificación de los alimentos por su acidez:

a. Alimentos alcalinos (pH 6,8): huevos almacenados, alimentos marinos almacenados, galletas de soda, alimentos hechos de harina.

b. Alimentos de acidez baja (pH 5-6,8): carnes, leche, maíz, habas, pescado, aves.c. Alimentos de acidez media (pH 4,5-5): espinacas, espárragos, remolacha, calabaza,

pimientos, higos, ciertos tipos de tomates, ajíes.d. Alimentos ácidos (pH 3,7-4,5): ciertos frutos (pero, piñas, etc.), ciertos tomates.e. Alimentos muy ácidos (pH 2,3-3,7): encurtidos en vinagre, productos fermentados, ciertos

frutos muy ácidos, bayas (moras, grosellas, etc.), sawer kraut.

Termo bacteriología - clasificación de las bacterias formadoras de esporas por su requerimiento de oxigeno

En los alimentos poco ácidos y ácidos las bacterias formadoras de esporas son las de mayor interés desde el punto de vista de la esterilización.

1. Aerobios obligados: en este grupo se incluyen las especies que requieren O2 molecular para el crecimiento. Desde el punto de vista de la esterilización este grupo es el menos importante de los tres. Debido a los métodos de envasado actuales, la mayoría de las latas contienen niveles muy bajo de O2 molecular que es insuficiente para un crecimiento apreciable.Además, las esporas de la mayoría de los aerobios obligados son menos resistentes al calor comparadas con las esporas de microorganismos presentes en los dos grupos restantes.

2. Anaerobios facultativos: las bacterias de este grupo son las más importantes desde el punto de vista de la esterilización. Cuando se hallan presentes producen un daño conocido como “flat-sour”, esto es, producen ácido y gas, éste último en cantidades casi nulas.

3. Anaerobios obligados: algunas especies de anaerobios formadores de esporas son relativamente estables al calor. A su vez se clasifican en mesófilos y termófilos. De los termófilos los más importantes son los organismos sacarolíticos, los cuales no producen sulfuro de hidrógeno, pero sí producen grandes cantidades de gases como CO2. Causan daño tipo “swell” o gas. El siguiente en importancia en alimentos de baja acidez es el grupo de los anaerobios mesófilos. Debido a su importancia para la salud pública, el organismo C. botulinum es considerado como el de mayor relevancia dentro de esta clasificación.

Termo bacteriología del Clostridium botulinum

Este microorganismo es un bacilo gram positivo, esporulado, anaerobio y móvil que produce una potente exotoxina neuroparalítica. Esta toxina causa una intoxicación fatal conocida como Botulismo. Existen 6 tipos de Clostridium botulinum designados alfabéticamente desde la A hasta la F. El botulismo en los humanos es causado por los tipos A, B y E. Las esporas de los tipos A y B son las más resistentes al calor. El hábitat del Clostridium botulinum tipos A y B es terrestre mientras que el del tipo E es esencialmente acuático. Por eso el tipo E es el de mayor importancia en los procesos térmicos de productos derivados de la pesca.

Termización

Es un proceso en flujo continuo, similar a la pasteurización HTST pero difiere en el binomio tiempo-temperatura; es un tratamiento menos intenso (10-15 s; 60-65°C). Actualmente se aplica a la leche cruda con el objetivo de mantener baja la tasa de bacterias psicrotrofas, muy termolábiles. No equivale a la pasteurización de la leche, ya que este tratamiento no es suficiente para destruir todos los microorganismos patógenos no esporulados.

Escaldado

El escaldado es un tipo de pasteurización que se emplea generalmente en los frutos y hortalizas con el fin principal de inactivar las enzimas naturales. Esta práctica es común en los casos en que los productos van a ser congelados, ya que la congelación en sí no detendría completamente la actividad enzimática. Según el grado en que sea aplicado, el escaldado también destruye algunos microorganismos.

El escaldado no es un sistema de conservación en sí mismo, es una operación previa de suma importancia en los procesos de conservación por calor de productos envasado, congelación y deshidratación de productos sólidos. Los objetivos del escaldado tienen que ver primordialmente con el proceso de envasado, con este calentamiento previo se pretende conseguir en primer lugar la eliminación de los gases ocluidos en los tejidos de los productos para:

Que se incremente la densidad del producto y no flote en el líquido de gobierno. Es imposible envasar un producto que tenga una densidad inferior a la del líquido de gobierno ya que, al añadir este último, el sólido flotará y se verá desplazado fuera del envase.

Que la presión en el interior del envase durante la esterilización coincida lo más exactamente posible con la de saturación del vapor de agua a la temperatura de proceso. La presencia de otros gases produciría un incremento en la presión interna que obligaría a la utilización de envases más robustos, contra presiones más altas o que haría saltar los cierres.

Que la concentración de oxígeno residual en el interior del envase sea mínima, para impedir la oxidación del producto y la corrosión de la lata durante su vida comercial.

Además, con el escaldado se ablanda o incrementa la flexibilidad de los productos, lo que permite su manipulación más segura en el momento del envasado, reduciéndose las roturas y consiguiéndose un mejor aprovechamiento del volumen del envase. En algunos casos particulares el escaldado ayuda a eliminar falsos gustos del producto y a fijar algunos colores.

Pasteurización

La pasteurización es un tratamiento térmico, relativamente suave (T° 100°C), que se utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días (ejm leche), o varios meses (ejm zumo embotellado). Se conservan los alimentos por la inactivación de sus enzimas y destrucción de los microorganismos relativamente termosensibles (ejm bacterias no esporuladas, levaduras y mohos), provoca cambios mínimos en el valor nutritivo y las características organolépticas del alimento.

Existen dos tipos de pasteurización:

1. LHT (low temperatura holding) o pasteurización baja; es un sistema discontinuo adecuado cuando se pretende pasteurizar volúmenes pequeños (ejm 100-500 L). Se utilizan tiempos largos (aproximadamente 30 minutos) y temperatura bajas (62-68°C) y se lleva a cabo en tanques de doble pared provistos de un agitador y termómetro. Por la doble pared circula el fluido calefactor y el refrigerante.

2. HTST (high temperature, short time) o pasteurización alta; este método se realiza en sistemas de flujo continuo con cambiadores de calor (tubulares o de placas). Se utilizan temperaturas elevadas (72-85°C) y tiempos cortos (15-20 s). Estos tratamientos también se denominan “flash pasteurización”.

La pasteurización de líquidos a granel, suele utilizar intercambiadores de calor de superficie barrida. Para la pasteurización a gran escala de líquidos poco viscosos (ejm leche, zumos de frutas, huevo líquido, cerveza y vinos), se utilizan instalaciones continuas.

La pasteurización se aplica en los siguientes casos:

a. Cuando un calentamiento más enérgico motivaría desde el punto de vista organoléptico un deterioro excesivo del alimento. Ejm jamón enlatado, debe almacenarse a baja temperatura.

b. Cuando se busca únicamente la destrucción de algunas especies patógenas, ante el peligro de que estuviesen presentes. Ejm bacilo tuberculoso y salmonellas en la leche, salmonellas en los huevos líquidos.

c. Cuando resulta apropiado destruir microorganismos que se desarrollan en competencia con una fermentación deseable, que puede obtenerse por la adición de cultivos seleccionados. Ejm la leche con el fin de preparar yogurt, quesos; también en vino.

d. Cuando los caracteres fisicoquímicos del producto, especialmente un pH bajo, permiten eliminar fácilmente numerosas categorías de microorganismos e impiden la proliferación de las especies más termorresistentes. Ejm jugo de frutos, frutos.

Esterilización

Es aquella operación unitaria en la que los alimentos son calentados a una temperatura suficientemente elevada y durante un tiempo suficientemente largo, para destruir la actividad microbiana y enzimática. Los alimentos así tratados tienen una vida útil mayor a seis meses.El objetivo de este tipo de tratamiento está constituido pues, por las bacterias esporuladas.

El tiempo de esterilización de un alimento depende de:

- La termorresistencia de los microorganismos y enzimas presentes- Los parámetros de esterilización- El pH del alimento- El tamaño del envase- El estado físico del alimento- La solución de cubierta o el medio donde se encuentra el alimento

La esterilización puede realizarse de dos formas: en envases previamente llenos o calentando el alimento sin envasar (UHT) y envasarlo después asépticamente.

La utilización de temperaturas más elevadas y de tiempos de tratamientos más cortos, se hace posible si el producto se esteriliza antes de su envasado en envases estériles en una atmósfera también estéril. Este concepto constituye la base de los sistemas de esterilización UHT (denominados de procesado aséptico). Se utilizan en leche, zumo de frutos y concentrados, nata, yogurt, vino, aderezos para ensaladas, huevos, helados, alimentos para bebés, productos derivados del tomate, verduras y postres a base de arroz. Se realiza a temperaturas muy altas (135-150°C) a las que se mantiene durante un tiempo muy corto (2-5 s), y existen dos modalidades:

1. Procesos indirectos en los que el calentamiento se realiza mediante cambiadores de calor (tubulares o de placa); no existe, por lo tanto contacto entre el fluido calefactor (vapor de agua) y el alimento.

2. Procesos directos, que consisten en la inyección de vapor de agua en el alimento (método de inyección) o en la inyección del alimento en vapor de agua (método de difusión). En este tipo de procesos hay contacto íntimo entre el agente calefactor y el alimento, siendo el calentamiento prácticamente instantáneo, pasando desde unos 85°C a 140°C en décimas de segundos.

Esterilidad comercial

Este término describe la condición que existe en la mayoría de nuestros productos enlatados y embotellados. Las palabras “comercialmente estériles” o “estéril” , que se ven frecuentemente en las etiquetas, significan el grado de esterilidad en que todos los organismos patógenos y generadores de toxinas han sido destruidos, al igual que todos los demás tipos de organismos que, si estuvieran presentes, podrían crecer dentro del producto y provocar su descomposición, bajo condiciones normales de manejo y almacenamiento. Los alimentos “comercialmente estériles” pueden contener un número muy pequeño de esporas bacterianas resistentes, pero normalmente éstas no proliferarán en el alimento. Sin embargo, si estuvieran aisladas del alimento y en condiciones ambientales especiales, podría demostrarse que están vivas.Nuestros alimentos enlatados que son “comercialmente estériles” pueden ser conservados generalmente durante dos años o más. Aun después de periodos más largos, el supuesto deterioro se debe comúnmente a cambios de textura o sabor más bien que al crecimiento de microorganismos.La optimización de los tratamientos térmicos precisa los siguientes elementos:

- Conocimiento de las cinéticas de penetración de calor en el producto tratado y las propiedades térmicas de dicho producto.

- Conocimiento de la cinética de destrucción de microorganismos y de los parámetros que caracterizan su termorresistencia.

- Conocimientos de la cinética de las reacciones secundarias que acompañan a la destrucción térmica de los microorganismos: destrucción de enzimas, de vitaminas, reacciones decolorantes de pardeamiento, cinética de cocción, etc.

GENERALIDAES SOBRE LOS TRATAMIENTOS POR CALOR

Efectos del calor

El efecto del calor por el uso de temperaturas elevadas, se manifiesta de una manera particular para cada caso, por ejemplo cuando nos referimos al efecto de éste sobre los microorganismos, sobre la actividad enzimática, sobre la formación de vacío en un envase a ser cerrado, etc., siendo por lo tanto necesario hacer un enfoque sobre ello.

1. Efecto sobre los microorganismos: Es ya bastante conocido el comportamiento de los diversos microorganismos frente al uso de temperaturas diferentes durante un tratamiento térmico, el comportamiento básico se puede observar cuando hacemos un gráfico, donde comparamos el número de microorganismos versus la variación de la temperatura.

El desarrollo microbiano obedece básicamente a una relación matemática logarítmica, terminando este desarrollo logarítmico en una temperatura máxima de desarrollo, a partir de la cual un mayor aumento de la temperatura significa un descenso de la carga microbiana.

2. Efecto sobre la actividad enzimática: El comportamiento enzimático frente a las variaciones de la temperatura, cuando esta se incrementa, varía para cada caso; pero lo que es común a todas las actividades enzimáticas de las diferentes enzimas, es de que dicha actividad presenta una temperatura óptima donde la actividad enzimática es máxima, el uso de una temperatura por debajo de ésta temperatura óptima, o por encima implica una disminución de la actividad enzimática.

3. Efecto sobre la formación de vacío: Entendemos este caso como la formación de vacío en envases que contienen un alimento y que posteriormente van a ser sellados, pasando a constituir una conserva, el envase puede ser una lata u otro tipo, previo al sellado se produce el efecto del calor sobre la formación del vacío. Esta operación en la industria conservera es conocida como exhausting, y la formación del vacío de una conserva por efecto del calor guarda una relación matemática directa cuando se produce un aumento de la temperatura, es decir a mayor temperatura, se produce mayor vacío.

Acción del calor sobre los constituyentes de los alimentos

1. Acción sobre el agua de constitución:

El agua es el componente mayoritario de los alimentos en sus dos estados: agua ligada a otros constituyentes y agua libre, móvil, de volumen y estructura variables y fáciles de extraer cuanto menos en parte.

La elevación de la temperatura acelera la evaporación superficial de éste agua, hasta que se produce una verdadera vaporización a 100°C. Cuando se produce este fenómeno tiene dos consecuencias esenciales:

Ralentiza los intercambios térmicos, ya que absorbe una gran cantidad de calor Es el origen de la desecación superficial.

La cocción favorece también la conversión en agua libre de una cierta cantidad de agua ligada. Este fenómeno aumenta con la temperatura de calentamiento. Para las carnes comienza a los 45°C y es sensiblemente importante a los 60°C. Esta es la razón por la que la exudación de la carne aumenta en grandes proporciones entre 60 y 75°C. Por lo tanto, la carne no conservará su jugosidad más que si por una técnica de cocción apropiada se limita la pérdida del agua que ha pasado a ser muy móvil.

2. Acción sobre los lípidos:

El primer efecto que se produce sobre las grasas con un tratamiento térmico es su fusión. La fusión de las grasas es variable en función de sus características fisicoquímicas y estructurales. En el caso de la carne de cerdo, comienza a los 35-38°C y viene acompañada de cambios de posición: las grasas fundidas impregnan las zonas superficiales deshidratadas y les devuelven su untuosidad inicial.

Además, el aumento de temperatura favorecerá la oxidación. La oxidación provoca la aparición de peróxidos que por escisión dan compuestos responsables del aroma y del sabor. Cuando la temperatura de cocción es demasiado elevada pueden formarse compuestos amargos, como la acrolema que comprometen definitivamente el sabor de la carne y aumentan su dureza.

3. Acción sobre los glúcidos:

El almidón es sensible al calor en medio acuoso: se transforma en engrudo, red de polímeros lineales que se enriquece en agua y que puede impregnar las estructuras vecinas. Se utiliza por sus efectos de hinchado y como ligante, por ejemplo en las salsas.

La gelificación comienza de 52 a 75°C, en función del origen del glúcido. En el caso de la cocción de ciertas legumbres, se pueden necesitar temperaturas bastante más elevadas.La cocción puede también provocar y acelerar las reacciones de Maillard, con las que se produce la aparición de diversas sustancias aromáticas. Por último, la descomposición térmica de los azúcares (caramelización) no se produce más que a temperaturas muy altas, del orden de 150 a 164°C, y tiene un interés muy limitado.

4. Acción sobre las proteínas:

Al considerar las proteínas de origen animal, por regla general se constata que a medida que se va elevando la temperatura se produce primero la activación de ciertas enzimas y, a partir de un determinado umbral térmico, la desnaturalización de las proteínas.- La activación de las enzimas se manifiesta entre 30 y 50°C y afecta principalmente a

lipasas y proteasas. A estas temperaturas el flavor y la terneza de las carnes se incrementan.

- La desnaturalización a temperaturas superiores se traduce por: una pérdida de actividad biológica, sobre todo enzimática pero también antigénica

cuyo estudio posterior permite conocer el grado de calentamiento aplicado, un cambio de solubilidad: formación de gel más o menos homogéneo, un cambio de color: la carne parece gris por transformación de la mioglobina en una

proteína cromófora, un cambio de estructura, con retracción más o menos importante de las proteínas

fibrilares, una modificación de la sensibilidad a las enzimas: las proteínas desnaturalizadas son

más sensibles a los jugos digestivos.

La desnaturalización de las proteínas solubles comienza entre 50 y 55°C, es prácticamente total entre 66 y 70°C y se completa a 80°C.

La desnaturalización de las fibras musculares se traduce por su acortamiento y por una disminución del poder de retención de agua. En términos más simples, por una exudación que se incrementa con el calentamiento. La acción del calor sobre el colágeno se traduce en un primer momento por un acortamiento de las fibras, perceptible desde los 55°C en la carne de temerá y a temperaturas más altas en los animales adultos (77°C). A continuación, el colágeno se solubiliza muy rápidamente, hasta el 40%, en los animales jóvenes, y con más dificultad en

los adultos, donde la solubilización solo llega al 5%. A partir de 70°C el colágeno se hincha y se transforma en gelatina a 74°C.

5. Acción sobre las vitaminas:

Las vitaminas son poco sensibles a las temperaturas de cocción, salvo la vitamina B 1. Por contra el calor puede acelerar los fenómenos de oxidación cuando los alimentos se cuecen sin protección. Este es el caso de las vitaminas A, E, B6 y C. Aunque las pérdidas que se derivan no son tan importantes que puedan producir carencias entre los consumidores.

CINÉTICA DE DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS POR EL CALOR

La temperatura y el crecimiento microbiano

Probablemente la temperatura es el más importante de los factores ambientales que afectan a la viabilidad y el desarrollo microbianos. Aunque el crecimiento microbiano es posible entre alrededor de -8 y hasta +90°C, el rango de temperatura que permite el desarrollo de un determinado microorganismo rara vez supera los 35°C.

Cualquier temperatura superior a la máxima de crecimiento de un determinado microorganismo resulta fatal para el mismo, y cuanto más elevada es la temperatura en cuestión tanto más rápida es la pérdida de viabilidad. Sin embargo, la letalidad de cualquier exposición a una determinada temperatura por encima de la máxima de crecimiento depende de la termo resistencia que es una característica fundamental del microorganismo considerado.

Siempre se debe tener en cuenta a la relación temperatura-tiempo. Las temperaturas superiores a las que los microorganismos crecen producen inevitablemente su muerte o les provocan lesiones subletales. Si hay lesiones subletales, las células lesionadas pueden permanecer viables pero son incapaces de multiplicarse hasta que la lesión no se haya subsanado. Las exposiciones drásticas provocan en las poblaciones un progresivo y ordenado descenso de sus tasas de crecimiento debido a la muerte de un número de células tanto más elevado cuanto más prolongado sea el tiempo de exposición. Los factores que afectan a la termorresistencia, además del tipo de microorganismo, son el número de células existente, la fase del crecimiento en que se encuentran, y las condiciones del medio en el que se efectúa el calentamiento de los microorganismos. Las esporas bacterianas son muy resistentes a las temperaturas extremas; algunas pueden incluso sobrevivir tratamientos de varios minutos a 120°C y horas a 100°C. Las células vegetativas de los gérmenes esporulados, al igual que las levaduras y los hongos, no son más termorresistentes que las bacterias vegetativas. La mayoría mueren tras unos minutos a 70°-80ºC y en los alimentos húmedos ninguno resiste más que una exposición momentánea a 100°C. Cuanto más elevada sea la carga microbiana inicial, tanto más tardará una población en alcanzar un determinado valor. Un buen proceso está diseñado suponiendo una determinada carga microbiana en el producto fresco. El uso de prácticas defectuosas que permitan una excesiva multiplicación microbiana antes de su aplicación puede comprometer seriamente el éxito de un tratamiento térmico.

Al aumentar la temperatura desde la óptima de crecimiento de un determinado microorganismo, primero se inhibe éste, luego se provocan lesiones subletales, pudiendo ser aún viable pero incapaz de multiplicarse hasta que no se repara la lesión y, si la temperatura es suficientemente elevada, se produce inevitablemente la muerte. Por lo tanto, puede decirse, de forma general, que cualquier temperatura por encima de la máxima de crecimiento de un microorganismo es letal para él.Los tratamientos térmicos letales provocan en la población microbiana homogéneas un

progresivo y ordenado descenso de sus tasas, tanto más elevado cuanto más prolongado sea el tiempo de exposición. Aunque se han observado excepciones, está perfectamente establecido que la destrucción de los microorganismos por el calor no es fortuita sino que sigue una marcha ordenada; se ajusta esencialmente a un curso logarítmico. Así se demostró hace un siglo, en 1920, para las formas esporuladas de Bacillus stearothermophilus y otras bacterias causantes de alteración flat sour (acidificación sin producción de gas) de algunas conservas.

Efecto del tiempo de proceso:

Los primeros estudios de la destrucción de los microorganismos por el calor se deben a Bigelow (1921) y a Ball (1923), que desarrollaron la teoría de la evaluación del procesado térmico con respecto a la muerte o inactivación de los microorganismos. Más tarde, Gillespy (1946), Jakobsen (1954) y Stumbo (1973) determinaron que la destrucción térmica de los microorganismos se puede explicar de acuerdo con un proceso estadístico.

El concepto básico de esta teoría es que los microorganismos y sus esporas mueren a cualquier temperatura, pero que cuanto mayor sea esta temperatura, mayor será la probabilidad de que tenga lugar la muerte. La probabilidad de cada espora de escapar a la destrucción no cambia con el tiempo, y define la resistencia térmica de un determinado microorganismo a una temperatura concreta.

Si se denomina P a la probabilidad de escapar a la muerte por unidad de tiempo, de un microorganismo expuesto a una temperatura determinada, se tendrá que para t unidades de tiempo esta probabilidad valdrá P t.

Considerando que inicialmente existen N esporas de idéntica resistencia térmica, entonces el número de supervivientes después de un tratamiento que se prolongue durante un tiempo t, vendrá expresado por la ecuación:

S = N • P t [1]

Tomando logaritmos decimales:log S = log N + t log P

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

d (log S) = log P

dt

que es evidentemente constante, por lo que la curva es, en este caso, una recta.

Como la probabilidad, P, de sobrevivir al tratamiento toma valores comprendidos entre 0 y 1, su logaritmo será negativo, luego la recta en cuestión tendrá la pendiente negativa, como puede verse en la Fig. 01.

Fig. 01: Curva de supervivencia teórica para un determinado microorganismo a una temperatura concreta.

Para la construcción de esta gráfica se ha partido de 5 muestras con una población inicial de 105 esporas, que se han sometido a tratamientos de tiempos crecientes a una temperatura constante de 110 ºC, representándose los logaritmos de los supervivientes frente a los tiempos correspondientes. Los puntos se ajustan a una recta cuya ecuación se presenta en la citada Fig.

Si se hace:Log P = - 1 D

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

Log S = log N – t/D

que en la forma exponencial quedaría:

S = Nx10-t/D [2]

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

D = 1 / 0,3704 = 2,67 min.

Ya que el parámetro D es un tiempo, se podrá expresar en función de él la duración total del tratamiento: t = n • D, siendo por lo tanto n el número de reducciones decimales que se aplican con un determinado tratamiento térmico.

Si se observan las ecuaciones [1] y [2], se verá que es cierto que:Pt=10-t/D

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

Pt = PD = 10-D/D = 10 –1 = 0,1

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

Pt = P2D = 10-2D/D = 10 –2 = 0,01

existiría la probabilidad de que sobrevivieran un 1% de los microorganismos iniciales.

El parámetro D caracteriza la termorresistencia de una especie de microorganismo definida a una determinada temperatura y su significado práctico es el siguiente: Cuando se mantiene una suspensión de esporas a una temperatura constante durante un

tiempo de D minutos, se destruye el 90% de la población inicial; si se alarga el tratamiento durante otros D minutos, se destruirá el 190% de la población residual y así sucesivamente.

Conociendo el valor del parámetro D de un microorganismo a una temperatura definida y el número de reducciones decimales deseadas, se podrá determinar cual será la duración del tratamiento a aplicar a esa temperatura.

Como existe una relación logarítmica entre los supervivientes y el tiempo de tratamiento nunca podremos garantizar la destrucción total de los microorganismos presentes en un alimento, ya que la curva representada en coordenadas decimales es asintótica con el eje de tiempo, por lo que será necesario que transcurra un tiempo infinito para que el número de supervivientes sea cero.

Si se pretenden producir alimentos sin comprometer la salud pública, será necesario que la probabilidad de supervivencia aceptada para los microorganismos patógenos sea muy baja. Para alimentos poco ácidos se recomienda que esta probabilidad sea de 10 -12 o mayor, lo que corresponde a un tiempo mínimo de proceso t = 12D (con el que se consigue un 99,9999999999% de destrucción de los microorganismos iniciales).

Es necesario tener bien presente que el nivel de infección del que se parta N es muy importante, porque como se ve en la ecuación [2] cuanto mayor sea este valor quedarán más microorganismos supervivientes para unos valores dados de t y D.

Efecto de la temperatura de proceso:

Si la experiencia representada en la gráfica 1, se repite a diferentes temperaturas, se podrán trazar las rectas que permitan calcular el valor de la reducción decimal D para cada una de estas temperaturas, como puede verse en la Fig. 02.

Es evidente que cuanto mayor sea la temperatura menor será el valor de la reducción decimal: es necesario menos tiempo para conseguir la destrucción del 90% de los microorganismos iniciales, ya que como puede verse al incrementarse la temperatura se incrementa la pendiente de las curvas conseguidas.

Fig. 02: Curvas de reducción decimal a distintas temperaturas.

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

Z = 1 = 10ºC 0,0995

Fig. 03: Obtención del parámetro z a partir de los parámetros D.

El parámetro z define la termorresistencia característica de cada especie de microorganismo en un medio de composición definida y su significado práctico es el siguiente:

Cuando se eleva la temperatura de tratamiento en z grados, el tiempo requerido para conseguir la misma destrucción térmica es 10 veces menor.

La ecuación de la recta representada en la figura podrá escribirse también, como ya se ha visto:

log D = a – T z

Como t = n • D, se podrá generalizar la ecuación anterior:

log t = A – T (3) z

donde A = a + log n

Que es la ecuación del conjunto de puntos (parejas de tiempos y temperaturas) que presentan la misma letalidad frente al microorganismo considerado, en el medio determinado.

De la misma forma que se ha construido la gráfica anterior para un tratamiento en el que t = D, se podrán construir otras con distintas letalidades, que evidentemente serán paralelas a la primera, y tanto más separadas del eje de temperaturas cuanto mayor sea la letalidad correspondiente a cada proceso, como se muestra en la Fig. 04:

Fig. 04: Curvas TDT

La letalidad de todos los puntos que componen cada recta es la misma, por lo tanto, para cada tratamiento se dispone de infinitas parejas de tiempo-Temperatura con la misma efectividad frente al microorganismo estudiado. Cada una de ellas proporcionará un tratamiento térmico equivalente, pero de condiciones tiempo-temperatura distintas.

Por lo tanto, la letalidad de un tratamiento vendrá definida por las coordenadas del punto (t - T) y la pendiente de la curva (z) que indica el microorganismo que se emplea como patrón. De esta forma será fácil encontrar tratamientos equivalentes a otro conocido, a temperaturas o tiempos distintos de los empleados en el tratamiento de referencia.

Si partimos de la ecuación general (3) y consideramos las coordenadas de un punto conocido t* y T*, para este punto será cieno que:

Log t* = A - T* z

Esta ecuación permite encontrar un tratamiento equivalente a otro conocido, modificando la temperatura o el tiempo de tratamiento, siempre y cuando se conozca el valor del parámetro z del microorganismo que se elige como referencia.

Como se ha visto con anterioridad que el parámetro D es un tiempo particular, se podrá también emplear la ecuación anterior para calcularlo a cualquier temperatura, partiendo de su valor a una temperatura conocida y del valor del parámetro z del microorganismo correspondiente:

D = D*.10-(T-T*)/z (4)

Modelos más complejos de destrucción térmica

Hasta este momento se ha aceptado que la relación entre el logaritmo de los supervivientes y el tiempo es lineal, y esto no siempre es cierto. En la Fig. 05 se muestran algunos de los diferentes tipos de curva de supervivencia encontrados habitualmente en los trabajos experimentales.

Fig. 05: Curvas de supervivencia no lineales

La obtención de curvas del tipo C se puede deber a la presencia de microorganismos con distintas termorresistencias, en este caso es conveniente trabajar con la termorresistencia calculada a partir de la última parte de la curva, donde se obtienen valores de D mayores.

También es bastante usual la obtención de curvas que presenten un hombro inicial, como el tipo A de la Fig. Una explicación para esta forma podría ser la existencia de un primer periodo de activación de los microorganismos, seguido de otro de inactivación constante.

Termorresistencia de los microorganismos

Depende de diversos factores intrínsecos y extrínsecos. Los primeros se refieren al tipo de microorganismo de que se trate y de la forma en que se encuentren. En general, aunque hay excepciones, la termorresistencia está relacionada con la temperatura óptima de crecimiento.Entre los factores extrínsecos cabe citar el pH, la actividad de agua y la composición (contenido de grasa, carbohidratos, sales) del medio de calentamiento.

La separación entre alimentos poco ácidos (pH > 4,5) y alimentos ácidos (pH entre 4,0 y 4,5) radica en la termorresistencia de Clostridium botulinum, ya que las esporas de esta especie no pueden germinar en alimentos con un pH inferior a 4,5 y, por lo tanto, no es necesario tener en cuenta el concepto 12D. De forma similar, la separación de los alimentos ácidos y muy ácidos (pH < 4,0) se debe a que ninguna espora bacteriana puede germinar a pH inferiores a 4,0 y, por lo tanto, se puede disminuir considerablemente la intensidad del tratamiento térmico para conseguir la estabilidad microbiológica.

Valor F

Es un parámetro que se usa en la industria conservera y puede definirse como el tiempo que se requiere, a una temperatura definida, para reducir la población microbiana presente en un alimento hasta un nivel deseado. Cada microorganismo existente en el alimento tiene su propio valor F y el valor F que habrá que aplicar al alimento será el más elevado de los calculados. Cuando el valor F se refiere a 121°C se designa como Fo. Para comparar la capacidad relativa de esterilización de los procesos térmicos, se define una unidad de letalidad designada por el símbolo F. Este valor es la suma de todos los efectos letales expresado en minutos a alguna temperatura. Es decir, es una combinación de la relación tiempo/temperatura recibida por un alimento. F es un térmico general, pero que se identifica con dos variables: z (resistencia térmica) como supraíndice y T (temperatura de proceso) como subíndice. Entonces, F es el equivalente en minutos a alguna temperatura dada del calor letal de un proceso con respecto a la destrucción de un organismo caracterizado por un valor de z.

Valor Z

Concepto que se utiliza para expresar la variación de F con la temperatura. Se define como el número de grados de temperatura que se requiere variar para modificar el valor F 10 veces. Ejm para el caso del Clostridium botulinum Z = 10°C, es decir, que si en lugar de aplicar un tratamiento térmico de 121°C (F121°C = 2,52 min) se aplicaría a una temperatura de 111°C (10°C menos) el valor de F habrá aumentado 10 veces, es decir será 25,2 min.

Procesos térmicos – transmisión de calor

La transferencia de calor puede efectuarse por tres mecanismos: radiación, conducción y convección. La radiación consiste en la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. La conducción es un tipo de transporte de calor que tiene lugar en los sólidos y que se produce por transmisión directa de la energía molecular. La convección consiste en la transferencia de calor por grupos de moléculas que se mueven por diferencia de densidad o por agitación. Sin embargo, no hay alimentos que se calienten puramente por convección o conducción. Aquellos que presentan una consistencia mayor, se calientan por conducción y en esos casos se considera que no hay movimientos en el interior del envase durante el calentamiento o el enfriamiento. Del mismo modo, para los que presentan una consistencia menor, las curvas de calentamiento están referidas a la de productos que se calientan por convección. Durante el calentamiento y el enfriamiento se consideran que están en constante movimiento debido a las corrientes que se elevan por las diferencias de temperatura. En los alimentos que se calientan por conducción, debido a la falta de movimiento durante el calentamiento o el enfriamiento hay un gradiente de temperatura desde

el centro geométrico hasta la pared del envase.Durante el calentamiento el gradiente es ascendente desde el centro hacia las paredes, mientras que en el enfriamiento el gradiente es descendente desde el centro geométrico hacia las paredes; por eso, el centro geométrico es designado como el punto de más lento calentamiento y enfriamiento. Debido al movimiento del producto en los que se calientan por convección, la temperatura en todo el envase es aproximadamente uniforme durante los procesos de calentamiento y enfriamiento.

a) Calentamiento por conducción b) Calentamiento por convección

Áreas de contenido

más frío

Conducción Convección

CURVA DE PENETRACIÓN DE CALOR

CINÉTICA DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN LOS PRODUCTOS ENVASADOS

Hasta ahora, al hablar del tiempo de proceso se ha supuesto que durante ese tiempo el producto se mantenía a la temperatura requerida. Esto significa, que el producto alcanza la temperatura de régimen de forma instantánea y se enfría de la misma forma, lo que en la práctica solo es casi cierto cuando se tratan líquidos a granel en capa muy fina. En el resto de los casos tendremos una determinada masa de producto que se calentará y enfriará dentro de un envase, y estos intercambios térmicos se verán afectados tanto por la naturaleza de pro -ducto y envase como por la geometría de éste último (Cuadro 01).

La norma general será que el producto, antes de alcanzar la temperatura de régimen, haya tenido una historia tiempo-temperatura más o menos larga que dependerá de los factores antes comentados y de la eficacia del sistema de calentamiento empleado, y que en el enfriamiento ocurra algo semejante aunque en sentido inverso. Para conocer la letalidad (o la modificación de las características del producto) producida por un tratamiento en estas condiciones, se tendrá que tener en cuenta el efecto conseguido tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento.

Cuadro 01: Factores que condicionan la penetración de calor.

Factor Comentario

Proceso Coeficiente superficial de transmisión de calor

El coeficiente de película, h, gobierna la transmisión de calor sobre la superficie del envase, y es una característica del equipo empleado y del vector usado en la transmisión de calor. El valor más alto de coeficiente de película se obtiene con vapor condensándose.

Agitación La agitación de los envases incrementa la transmisión de calor para determinados productos: líquidos viscosos o sólidos en el seno de líquidos, que soporten el movimiento sin dañarse.

Producto Naturaleza La naturaleza del producto condiciona la penetración de calor, permitiendo la transmisión de calor por convección o por conducción. Algunos productos cambian de mecanismo de transmisión de calor a lo largo del proceso.

Temperatura inicial

Cuanto más alta sea la temperatura inicial más cono será el proceso. Los procesos más sensibles a las diferencias de temperatura inicial son los que transcurren por conducción

Propiedades termofísicas

Es importante principalmente la difusividad térmica

Envase Materiales Pueden ser muy distintos: hojalata, aluminio, vidrio, film plástico, etc. La conductividad térmica de estos materiales determinan la penetración de calor.

Geometría La relación superficie/volumen condiciona la penetración de calor, que mejorará al incrementarse dicha relación.

El factor más importante de los que condicionan la penetración del calor en los productos es su naturaleza, que es la que va a determinar por qué mecanismo de transmisión de calor va a producirse el intercambio térmico.

En la práctica industrial se pueden encontrar los siguientes tipos de productos:

Líquidos de baja viscosidad que permiten la formación de corrientes de convección, en los que el calentamiento es muy rápido (p.ej.: zumos, leche, etc.)

Sólidos, o líquidos de alta viscosidad, en los que el calor se transmite por conducción, y por lo tanto el calentamiento es más lento. Durante el calentamiento y el enfriamiento la temperatura tomará un valor distinto en cada punto de la masa del producto, y durante esos periodos, para una localización determinada la temperatura variará con el tiempo.

Líquidos que contienen en su seno sólidos de pequeño tamaño, de forma que la penetración de calor viene determinada en gran medida por la movilidad del líquido (proporcional a la relación líquido/sólido existente). La temperatura de los sólidos puede considerarse la misma que la del líquido que los rodea.

Sólidos con un líquido de cobertura, en este caso el líquido se calentará por convección (con mayor o menor facilidad dependiendo de la posibilidad de formar comentes de convección por los espacios libres entre los sólidos), y servirá de vector del calor al sólido que a su vez se calentará por conducción.

Productos que comienzan a calentarse por conducción y en un determinado momento (por cambios en su estructura y propiedades reológicas) pasan a terminar el proceso calentándose por convección.

Es evidente que para poder estudiar el proceso de calentamiento de cualquier producto en su envase es necesario conocer como evoluciona la temperatura en su interior, y tener en cuenta que la selección del punto de medida de esta temperatura es de crucial importancia. La temperatura deberá medirse en el punto en el que el calentamiento sea más lento, al que llamaremos punto crítico. Ya que de esta forma se tendrá la seguridad de que todos los demás puntos del producto habrán recibido un tratamiento térmico de mayor intensidad que el determinado con la medida realizada, y se podrá pensar que si el procesado del producto ha sido suficiente en el punto crítico, también lo habrá sido para el resto de la masa del alimento. El problema se reduce a localizar el punto crítico y colocar en él el sensor de temperatura.

Generalmente se admite que:

Para productos que se calientan por convección, en envases cilíndricos, el punto crítico se sitúa en el eje longitudinal a 1/5 de la altura, medido desde la base.

Para productos que se calientan por conducción, en envases cilíndricos o de otras formas, el punto crítico se localiza en el centro geométrico de su masa.

Para productos en los que intervienen los dos mecanismos de transmisión de calor (sólidos en líquido de gobierno), será necesario asegurarse de que el centro del sólido de mayor tamaño recibe el tratamiento adecuado, y será allí donde se deba posicionar el sensor.

Una vez colocado en posición el sistema de medida de temperatura se podrán obtener las gráficas correspondientes a la evolución de la temperatura en función del tiempo, para el producto que se está tratando y para el recinto donde se produce el tratamiento. En la Fig. 6 se muestra un ejemplo de esterilización en autoclave de un producto líquido, que se calienta por convección, envasado en un tarro de vidrio, en ella se distinguen perfectamente las tres fases del proceso:

Calentamiento: en la que la temperatura del recinto se incrementa con una determinada pendiente hasta alcanzar la temperatura de régimen. En esta fase la temperatura del producto sigue a la del recinto con un retraso que será función de la naturaleza del producto y de las características del envase: espesor de la pared y conductividad térmica del material.

Mantenimiento: en esta fase la temperatura de régimen permanece todo lo constante que puedan mantenerla los instrumentos de control instalados en el autoclave. La temperatura del

producto tiende a igualarse a la del recinto y lo consigue en un tiempo más o menos largo que depende de los mismos factores que el retraso de la fase anterior.

Enfriamiento: en esta fase el recinto se enfría hasta una temperatura próxima a la temperatura ambiente. El producto sigue al recinto en su enfriamiento con el retraso correspondiente, por lo tanto durante toda esta fase del proceso se encontrará a mayor temperatura que el recinto.

Si el líquido se encuentra en libertad dentro del envase, se podrá considerar que durante todo el proceso las diferencias de temperatura en la masa del producto son mínimas y que existirá una homogeneidad suficiente en el tratamiento recibido por el producto.

Fig. 06: Esterilización de un líquido de baja viscosidad en autoclave

Fig. 07: Esterilización en autoclave de un líquido viscoso

OPTIMIZACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO

Los objetivos de la aplicación de tratamientos térmicos a los alimentos pueden resumirse en: Destrucción de los microorganismos patógenos. Evitar las alteraciones producidas por los microorganismos no patógenos. Aplicar el grado de cocción adecuado al tipo de alimento en cuestión.

En primer lugar el tratamiento térmico debe estar enfocado a destruir las esporas de la bacteria anaerobia patógena más termorresistente, que para los productos poco ácidos es Clostridium botulinum, cuyas células vegetativas producen la toxina más potente conocida.

El segundo objetivo que se pretende es la obtención de lo que se llama "estabilidad" de la conserva, y para ello es suficiente que el número de esporas supervivientes, de especies no patógenas, sea aceptablemente pequeño. Teniendo en cuenta que las esporas de las bacterias no patógenas capaces de desarrollarse en las conservas son mucho más termorresistentes que las de Clostridium botulinum y se encuentran en mayor número, los tratamientos que conducen a la destrucción parcial de su población serán generalmente suficientes para minimizar el riesgo asociado al Clostridium botulinum. La obtención de la estabilidad conlleva, la mayoría de las veces, la seguridad para el consumidor.

Además debemos cumplir un tercer objetivo: cocer el alimento suficientemente para que solo requiera su calentamiento antes del consumo.

En el pasado fue práctica común emplear un proceso en dos partes para algunos alimentos listos para el consumo (p.ej.: judías con tomate): el producto se cocía en primer lugar a baja temperatura y durante un tiempo largo (en esta parte del proceso no se producía una destrucción significativa de microorganismos) y a continuación se esterilizaba a alta temperatura (en esta parte del proceso se aplicaba un tratamiento de cocción muy limitado).

Esto era posible debido a que la diferencia fundamental entre el proceso de destrucción térmica de microorganismos y el efecto de cocción y destrucción de nutrientes es que sus parámetros cinéticos z y D son muy distintos (ver tablas 1 y 2). El valor del parámetro z es mucho mayor para los efectos de cocido (8-55°C) que para los de inactivación microbiana (4-12°C). En términos generales, por cada 10°C de elevación de temperatura, la cocción se dobla mientras que el efecto esterilizador se incrementa 10 veces. Esta es la base de que los tratamientos a alta temperatura y corto tiempo tengan muy poco efecto de cocción.

En la actualidad no es razonable plantear procesos en dos partes. El procesado comercial debe alcanzar el equilibrio entre las necesidades de destrucción microbiana y la cocción. Hay que ser capaz de encontrar un proceso que conjugue los dos fines. Como se ha visto en todo este Capítulo, es posible plantear un gran número de procesos con un mismo Fo, conseguido a distintas parejas de tiempo-Temperatura. Se puede decir lo mismo del efecto de cocción, luego se tendrá que elegir precisamente una pareja que satisfaga a la vez, de la mejor \ forma posible, los dos requerimientos.

Determinación del tratamiento térmico capaz de conseguir la estabilidad:

Para determinar la letalidad exigida a un tratamiento para que el producto obtenido presente la estabilidad suficiente es necesario conocer:

La concentración de la bacteria esporulada anaerobia más termorresistente que esté presente en la materia prima.

Los parámetros de termorresistencia de esta bacteria.

El volumen de los envases que se van a producir. El "riesgo de no estabilidad" que se admite.

Se entiende como "riesgo de no estabilidad" el número de microorganismos supervivientes que quedarán por envase después del tratamiento térmico. Si recordamos la ecuación [2]

S = N – 10-t/D

Siendo:

S = n.° de microorganismos supervivientes después del tratamiento N = n.° de microorganismos iniciales t = tiempo de tratamiento D = duración de la reducción decimal.

Como:N = C . V

siendo:

C = concentración inicial de microorganismos V = volumen del envase considerado

Será cierto que:S = C . V . 10-t/D

10-t/D = C . V S

t = D . log (C . V ) S

Por lo tanto, como ya se ha dicho, si se conoce la concentración inicial de la bacteria esporulada más termorresistente capaz de vivir en la conserva, el volumen de los envases que se van a utilizar, el parámetro de termorresistencia D, a la temperatura a la que se vaya a realizar el tratamiento, se podrá conocer el tiempo a mantener dicha temperatura, si se decide cuantos supervivientes se pueden admitir comercialmente. Generalmente se admite que el riesgo comercial es asumible si S<10~1, o dicho de otra forma, el riesgo comercial comienza a ser asumible cuando el número de envases defectuosos es menor que 1 de cada 10 000. Una vez determinado este tiempo se deberá comprobar si el Fo conseguido con el tratamiento es mayor de 3,6 para verificar que la salud del consumidor está asegurada. Ejemplo:

Si se parte de unos envases de conserva de 400 mL que contienen, antes del tratamiento térmico, 10 esporas/envase de Desulfotomuculum nigrificans, una bacteria no patógena cuyo D121,1 = 24,9 min, y se pretende que después del tratamiento térmico el riesgo asumido sea de que aparezca 1 envase defectuoso por cada 10 000. El tiempo de tratamiento a 121,1°C se calculará de la siguiente forma:

t121,1 = D121,1 . log (C . V ) ) = 24,9 log ( 10 ) = 124,5 min. S 10-4

Será necesario un tratamiento de Fo = 124,5 (124,5 minutos a 121,1°C) para alcanzar la estabilidad requerida a la conserva, y desde luego, este tratamiento será más que suficiente para garantizar la salud pública.

Elección de las condiciones de proceso:

Una vez conocido el Fo que se debe aplicar al producto para que se alcance la estabilidad requerida y se preserve la salud pública, solo queda compatibilizar las condiciones del proceso de ^esterilización con las del proceso de cocción. Se deberá conocer cual es el valor C exigido al proceso y encontrar una pareja de tiempo-Temperatura que cumpla a la vez con los dos valores.

La elección de las condiciones de proceso se puede realizar representando gráficamente las distintas parejas tiempo-temperatura (en papel semilogarítmico) que satisfacen los valores de Fo y C requeridos. Se obtendrán así dos curvas que dividirán el plano de la gráfica en 4 partes:

A: zona de producto sobreesterilizado y sobrecocido. B: zona de producto sobreesterilizado y subcocido. C: zona de producto subesterilizado y subcocido. D: zona de producto subesterilizado y sobrecocido.

En el punto en el que se cruzan las dos curvas se dan las condiciones exactas que cumplirán, a la vez, las necesidades de esterilización y de cocción, como puede verse en la Fig. 8

Fig. 08: Determinación de las condiciones óptimas de proceso.

Los puntos de las curvas se han obtenido de la simulación del proceso de esterilización para Fo = 3 a distintas temperaturas de régimen (103 a 114°C) y para un proceso de cocción de C33

100 = 125, considerando que el producto se calentaba por conducción, y teniendo en cuenta la letalidad conseguida durante el calentamiento y el enfriamiento. Si se hubiera supuesto un

proceso de calentamiento y enfriamiento instantáneos las curvas obtenidas serían perfecta-mente rectas.

CÁLCULO DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO:

Para conocer la letalidad de un tratamiento es suficiente resolver la ecuación:

La resolución de esta ecuación exige el conocimiento de la evolución de la temperatura en función del tiempo, del punto crítico del producto durante el tratamiento térmico. Conocidos estos valores lo más sencillo es emplear el llamado método general, desarrollado por Bigelow y col en 1920 y que consiste en la integración gráfica o numérica de la ecuación anterior.

Se parte de una curva tiempo-temperatura que se puede haber obtenido experimentalmente o bien a partir de una simulación matemática del comportamiento térmico del producto. Para cada pareja tiempo-temperatura se calcula el correspondiente valor de LT:

El paso siguiente es representar estos valores frente al tiempo, como se ha hecho en la figura 9; la letalidad del tratamiento, Fo, se obtendrá calculando al área comprendida entre la curva LT y el eje de tiempos.

El cálculo de esta área puede hacerse gráficamente con un planímetro o dibujando la curva en papel cuadriculado y contando las cuadriculas comprendidas en su interior.

Figura 09: Cálculo de LT

SIMULACIÓN DE LA CURVA DE PENETRACIÓN DE CALOR PARA PRODUCTOS SÓLIDOS ENVASADOS EN LÍQUIDO DE COBERTURA:

Es este caso actuarían los dos mecanismos de penetración de calor; convección para el calentamiento del líquido y conducción para el calentamiento de los sólidos. Es evidente que la simulación deberá hacerse de esta misma forma, se simulará como se ha visto por convección el calentamiento del líquido y a partir de la temperatura del líquido se simulará el calentamiento por conducción de las piezas de sólido que se trate. Dependiendo de la geometría del sólido se elegirá la ecuación diferencial de conducción de calor adecuada: para cilindros, esferas o cubos.

En la figura 10 se puede ver un ejemplo de simulación de esterilización de un sólido cilíndrico en líquido de gobierno.

Figura 10: Simulación de las curvas de penetración de calor en el caso de un producto sólido envasado en líquido de gobierno

GRADOS DE CONSERVACIÓN ESTERILIZACIÓN

Queremos decir la destrucción completa de los microorganismos, debido a la resistencia de ciertas esporas bacterianas al calor, para destruirlas se requiere a menudo en tratamiento térmico húmedo a una temperatura mínima de 120 °C por 16 min. El tiempo efectivo para lograr la verdadera esterilidad puede ser de varias horas.

CONSERVACIÓN TÉRMICA DE ALIMENTOS

En envases cerrados herméticamente

Sin empaquetador (sistemas físicos fluidos)

Proceso discontinuo Proceso continuo

Caldera abierta de

cocción

Autoclave fija

Autoclave móviles

(de rotación y de

péndulo, f = 30 min-1)

Pasteurizador continuo

(sistema abierto)

con uno o más pisos para

latas y botellas)

Pasteurizador roratorio

de rotor con resaltes guiadores

(para envases) de grandes

dimensiones.

Caldera de presión en espiral

Esterilizadores hidrostáticos

Esterilizadores a la llama

Proceso continuo

Recuperador térmico de

superficie (de placas,

tubular de rascadores,

helicoidal)

Mezcla con vapor (cámara

de vapor, inyector de vapor,

refrigerador de vacío)

Calentador por microondas

Calentamiento óhmico o de

resistencia (6.52)

Fig. 11: Sinopsis de los tipos de instalaciones para aplicar la conservación térmica

AUTOCLAVE DE ESTERILIZACIÓN

La autoclave se utiliza para esterilizar los envases. Después de la esterilización, el aparato puede ser utilizado también para enfriar los envases.

La autoclave es del tipo vertical y estacionario. Consta de las siguientes piezas:1) Válvula de seguridad.2) Llave de evacuación.3) Tapa provista de empaque de asbesto.4) Pernos tipo mariposa.5) Cuerpo de la autoclave.6) Manómetro.7) Termómetro.8) Tubería y llave para la descarga latera 1 del agua.9) Tubería y llave para la alimentación de agua.10) Tubería y llave para la alimentación de vapor.11) Llave de descarga de agua.12) Canastilla con perforaciones, que contiene los envases para la esterilización.13) Tubería perforada para la salida del vapor.

(Paltrinieri, 1997)

Figura 12: Autoclave de esterilización

Fig. 13: Autoclave horizontal

Ejemplo de cálculo de tratamientos letales:

Datos:

- Temperatura del medio de calentamiento (autoclave) = 115ºC

- Temperatura inicial del producto = 68ºC

- Tiempo para alcanzar temperatura en autoclave = 15 min

- Tiempo de tratamiento a 115ºC = 108 min

- fh = fc = 65

- jh = jc = 1,6

Se requiere calcular el valor de F en el centro del bote.

Método:

I = 115 - 68 = 67

Ji = 1,6x47 = 75,2

B = 108 + 0,4(15) = 114

Como: B = fh(log JhxIh – log g)

114 = 65(log 75,2 – log g)

g = 1,325

Es decir, la temperatura en el centro del bote será 113,67ºC. De las tablas que dan la relación

entre g y f/U:

g = 1,325x1,8

fh/U = 2,00 = 65/U

U = 32,5

Entonces, U = FF1 y como F1 = 10(121,1 – TR)/z

F1 = 10(121,1 – 115)/10

F1 = 4,07

32,5 = Fx4,07

F = 8,0

Cuadro 02: Valores F1 correspondientes a diversas temperaturas de tratamiento (inferiores a 121ºC)121 – Ti

(ºC)Valor z

4,4ºC 6,7ºC 8,9ºC 10ºC 11,1ºC 12ºC5,66,16,77,27,88,38,99,410,010,6

17,78 6,813 4,217 3,594 3,162 2,848 23,71 8,254 4,870 4,084 3,548 3,162 31,62 10,00 5,623 4,642 3,981 3,511 42,17 12,12 6,494 5,275 4,467 3,899 56,23 14,68 7,499 5,995 5,012 4,329 74,99 17,78 8,660 6,813 5,623 4,806 100,0 21,54 10,00 7,743 6,310 5,337 133,4 26,10 11,55 8,799 7,079 5,926 177,8 31,62 13,34 10,00 7,943 6,579 237,1 38,31 15,40 11,36 8,913 7,305

Adaptado de Stumbo (1973)

Cuadro 03: Algunos valores fh/U y g para z = 10 y jc = 0,4 – 2,0

fh/U Valores de g para los siguientes valores de jc

0,40 0,80 1,00 1,40 1,80 2,000,500,600,700,800,901,002,003,004,00

0,0411 0,0474 0,0506 0,0570 0,0602 0,0665 0,0870 0,102 0,109 0,123 0,138 0,145 0,150 0,176 0,189 0,215 0,241 0,255 0,226 0,267 0,287 0,328 0,369 0,390 0,313 0,371 0,400 0,458 0,516 0,545 0,408 0,485 0,523 0,600 0,676 0,715 1,53 1,80 1,93 2,21 2,48 2,61 2,63 3,05 3,26 3,68 4,10 4,31 3,61 4,14 4,41 4,94 5,48 5,75

5,0010,020,030,040,050,0

100,0500,0

4,44 5,08 5,40 6,03 6,67 6,99 7,17 8,24 8,78 9,86 10,93 11,47 9,83 11,55 12,40 14,11 14,97 16,68 11,5 13,6 14,6 16,8 18,9 19,9 12,8 15,1 16,3 18,7 21,1 22,3 13,8 16,4 17,7 20,3 22,8 24,1 17,6 20,8 22,3 25,4 28,5 30,1 26,0 30,6 32,9 37,5 42,1 44,4

Adaptado de Stumbo (1973)