1. 8/24/2012 OSMOSIS 1 MODELOS MATEMATICOS PARA ESTIMACION DE VIDA UTIL DE ALIMENTOS Carlos Rafael Anzueto OSMOSIS Consultores Guatemala San Salvador, 30 Agosto 2012

2. 8/24/2012 OSMOSIS 2 VIDA TIL DE ALIMENTOS Definicin: - Perodo en el que un alimento mantiene caractersticas sensoriales y de seguridad aceptables para el consumidor, almacenado bajo condiciones ptimas preestablecidas. - Perodo despus del cual no se mantiene la calidad esperada por el consumidor final (no satiface sus expectativas). Sinnimos: Vida Util, Vida de Anaquel, Vida en Estante 3. 8/24/2012 OSMOSIS 3 VIDA TIL DE ALIMENTOS - El entendimiento de la estabilidad de un producto y los factores que la afectan (composicin, procesamiento, envase, humedad, temperatura), puede conducir a la optimizacin de su vida de anaquel y las predicciones relacionadas. 4. 8/24/2012 OSMOSIS 4 VIDA TIL DE ALIMENTOS Calidad: Un Concepto Integral Caractersticas de Calidad: Sabor Textura Apariencia Inocuidad/Seguridad Nutricin Funcionalidad 5. 8/24/2012 OSMOSIS 5 VIDA TIL DE ALIMENTOS Tipos de Estabilidad Microbiolgica Qumica Fsica Sensorial En el momento en el que algn parmetro dentro de estos aspectos se considera inaceptable, el producto ha llegado al final de su vida til. 6. 8/24/2012 OSMOSIS 6 VIDA TIL DE ALIMENTOS FACTORES QUE LA AFECTAN: Empaque Temp Humedad Producto* Producto*-Empaq Calidad Vida til Mtodos de Procesamiento Oxgeno Luz Procesos de Deterioro M.P. *composicin, ingredientes, aw ,pH 7. 8/24/2012 OSMOSIS 7 VIDA TIL DE ALIMENTOS PROCESOS DE DETERIORO/TIPOS DE REACCION: Transferencia de Agua (aw vrs HR) Hidrlisis de sacarosa Actividad Enzimtica (invertasa, lipasa, lipoxigenasa, polifenoloxidasa) Rancidez (Oxidativa, Lipoltica/Hidroltica) Degradacin de Vitaminas/Minerales (A, C/Fe, Mg) Cambios de color/aspecto (encafecimiento, bloom) Cambios de sabor/dulzura Cambios de textura (cristalizacin/re, viscosidad) Crecimiento/Actividad Microbiana 8. 8/24/2012 OSMOSIS 8 VIDA TIL DE ALIMENTOS METODOS DE PRESERVACION: Esfuerzos para detener o disminuir los procesos deterioro: Aplicacin de Temperatura Control del Contenido de Agua (Aw) Preservacin qumica Control de Atmsfera gaseosa Procesos no trmicos 9. 8/24/2012 OSMOSIS 9 FORMAS DE DETERIORO 1. Descomposicin Biolgica - Actividad enzimtica: Prdida de color, sabor, nutrientes, textura - Actividad microbiolgica 2. Descomposicin Qumica 2.1 Reacciones Enzimticas: Lipoxidasas Rancidez Polifenoloxidasa Encafecimiento 10. 8/24/2012 OSMOSIS 10 FORMAS DE DETERIORO 2. Descomposicin Qumica (Cont.) 2.2 Oxidacin de Lpidos: Ataque* por O2 Radicales libres + Perxidos - Decoloracin de pigmentos (vegetales deshidratados) - Destruccin de vitaminas (C, E, A) - Degradacin de protenas (leche en polvo) - Oscurecimiento de la grasa (fritura) - Produccin de sustancia txicas - Rancidez (sabor) * Acidos grasos insaturadas (grasas o nueces) 11. 8/24/2012 OSMOSIS 11 FORMAS DE DETERIORO 2. Descomposicin Qumica (Cont.) 2.3 Encafecimiento no enzimtico Reacciones entre azcares reductoras (glucosa, fructosa, lactosa) y aminocidos/protenas (Maillard). Calentamiento de azcares a altas T Oxidacin de vitamina C - Sabores amargos - Oscurecimiento (prod deshidratados) - Prdida de solubilidad en protenas - Endurecimiento - Disminucin de calidad nutricional 12. 8/24/2012 OSMOSIS 12 FORMAS DE DETERIORO 3. Degradacin Fsica a) Prdida de humedad: - Prdida de calidad general (frutiver) - Prdida de valor nutritivo (frutiver) - Endurecimiento (confitera, panadera, productos de humedad intermedia ej. barras, frutas deshidratadas, alimentos para animales) - Disminucin de volumen - Ocurre generalmente en superficie; pueden aparecer pigmentos/manchas blancas. 13. 8/24/2012 OSMOSIS 13 FORMAS DE DETERIORO 3. Degradacin Fsica b) Ganancia de humedad: - Prdida de calidad/textura (snacks, galletas, deshidratados) - Ablandamiento, pegajosidad - Aglutinamiento (Harinas, Caf, refrescos en polvo, otros polvos) se acenta por cambios y abusos de temperatura. - En productos compuestos, porciones con distinta aw pueden intercambiar agua entre ellas. 14. 8/24/2012 OSMOSIS 14 FORMAS DE DETERIORO 3. Degradacin Fsica b) Fluctuaciones de Temperatura: - Fusin de grasas (confitera, alimentos formulados). - Desecacin/Alteracin de color (productos congelados) - Desestabilizacin de emulsiones (aderezos, mayonesa, cubiertas postres) - Cambios en viscosidad - Mayor T, aumenta transferencia de masa (formacin ms rpida de cristales grandes por recristalizacin). 15. 8/24/2012 OSMOSIS 15 FORMAS DE DETERIORO 4. Degradacin Fsica (Cont) d) Magullamiento - Ataque microbiano - Descomposicin general 16. 8/24/2012 OSMOSIS 16 VIDA UTIL Y FORMAS DE DETERIORO Actividad del agua (aw): - Los principales cambios que ocurren durante la vida del producto involucran al agua. - Relacin de presiones de vapor: 0 - 1 - La aw del producto, comparada con la humedad relativa del ambiente, determina si el producto tender a ganar o a perder humedad. - La awdetermina la susceptibilidad del producto al crecimiento microbiano. 17. 8/24/2012 OSMOSIS 17 VIDA TIL DE ALIMENTOS La vida til depende de: Tipo de producto y sus propiedades fsico- qumicas, composicin Tipo de empaque y condiciones de almacenaje. Estos factores afectan las caractersticas de calidad del producto y el parmetro de calidad que se afecte. 18. 8/24/2012 OSMOSIS 18 VIDA TIL DE ALIMENTOS La vida til depende de.. (Cont.) Las caractersticas del producto van a tener un efecto importante en la vida de un producto vrs otro: cunta humedad tiene?, cunta grasa?, qu tipo de grasa?, tiene algn relleno? 19. 8/24/2012 OSMOSIS 19 VIDA TIL DE ALIMENTOS La vida til depende de.. (Cont) Condiciones ptimas de almacenaje: lugar fresco, seco, refrigerado/fluctuaciones, poca luz? El aire tambin tiene un efecto Caractersticas del empaque? (Barreras 02, H20) 20. 8/24/2012 OSMOSIS 20 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Tres metodologas generales: 1) Determinacin directa (Condiciones normales) 2) Mtodos acelerados (Condiciones de abuso) 3) Aplicacin de ciertos principios de cintica de reacciones con respecto a una dependencia de temperatura (simplista vrs dependencia de otros factores ambientales). Son mtodos acelerados. Particularmente 2 y 3 presentan limitaciones Pueden combinarse Modelos no siempre son vlidos 21. 8/24/2012 OSMOSIS 21 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Mtodos basados en Cintica de Reacciones: 1) Orden de la Reaccin 2) Ecuacin de Arrhenius 3) Grfica de Vida Util/Factor Q10 22. 8/24/2012 OSMOSIS 22 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Principios Bsicos: 1) La vida de un producto no es una funcin del tiempo sino ms bien de las condiciones ambientales y la cantidad de prdida de calidad permisible (aceptabilidad/ estndar de calidad preestablecido). 2) La prdida de aceptabilidad de un producto por parte del consumidor no necesariamente significa que el producto sea incomible, sino que el estndar de calidad preestablecido ha sido sobrepasado. 3) Es necesario identificar las formas de deterioro que afectan la calidad del producto. 23. 8/24/2012 OSMOSIS 23 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Principios Bsicos: 4) Es necesario establecer el estndar de inaceptabilidad (el atributo y su valor). 5) Es necesario establecer las formas de medicin de los cambios del deterioro. 6) Es necesario conocer/predecir la prdida y el tipo de prdida que ocurre desde el momento de fabricacin hasta el consumo. 24. 8/24/2012 OSMOSIS 24 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Principios Bsicos: 7) Es importante conocer el orden y la velocidad de las reacciones de deterioro como funcin de las condiciones ambientales a las que estar sometido el producto. 8) Es necesario conocer las condiciones reales a las que el producto es expuesto durante el proceso, el almacenaje, la distribucin y cualquier manejo del mismo. 25. 8/24/2012 OSMOSIS 25 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Pruebas en condiciones de Abuso/Aceleradas - La mayora de mtodos acelerados se basan en el incremento que los procesos de deterioro tienen a temperaturas de almacenaje mayores que las condiciones normales. - Exigen un efectivo diseo del estudio, ej: parmetro de control, forma de medirlo, frecuencia de la medicin, cantidad de muestras, condiciones, tiempo de evaluacin 26. 8/24/2012 OSMOSIS 26 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Pruebas en condiciones de Abuso/Aceleradas - Entre ms rpido se induzca el deterioro (ms alejado de condiciones normales), la confiabilidad en la estimacin de vida til puede ser menor. - No siempre pueden aplicarse a todo tipo de productos. 27. 8/24/2012 OSMOSIS 27 USO DE CINTICA DE REACCIONES I. Orden de la Reaccin: La prdida de calidad (deterioro) puede ser descrita mediante modelos matemticos. Su importancia radica en que son vas objetivas para predecir los lmites de la vida til. Los modelos se fundamentan en que la tasa de deterioro puede expresarse como un cambio en las concentraciones de componentes deseables o indeseables en funcin del tiempo. 28. 8/24/2012 OSMOSIS 28 USO DE CINTICA DE REACCIONES I. Orden de la Reaccin (Cont.): Prdida de Calidad +/- dA/dt = k (A) n (1) en donde: dA/dt = Cambio de cantidad del atributo A con el tiempo. A = Cantidad del atributo de calidad a cualquier tiempo t. k = Constante de velocidad de reaccin. n = Orden de la reaccin (0,1,2) 29. 8/24/2012 OSMOSIS 29 USO DE CINTICA DE REACCIONES I. Orden de la Reaccin (cont.): Despus de un procedimiento aritmtico (integrales): Orden n = 0 A = A0 - kCt (2) Orden n = 1 ln A = ln A0 - k1t (3) En donde A = valor del atributo al tiempo t kC = constante de velocidad de orden cero (la pendiente de la ecuacin 2) k1 = constante de velocidad de primer orden (la pendiente de la ecuacin 3) Ambas ecuaciones representan una lnea recta 30. 8/24/2012 OSMOSIS 30 Orden cero Primer orden Tiempo (das) Figura 1. Cambio en calidad versus tiempo: Efecto del orden de la reaccin 31. USO DE CINTICA DE REACCIONES I. ORDEN DE LA REACCIN (cont.): Para construir la grfica: Se obtienen valores de A a distintos tiempos (por lo menos 3), a T constante. Si se conoce el orden de la reaccin (n), se grafica en las coordenadas correspondientes (normal o semilog); si no se conoce, se utiliza la escala que linearice los datos (Fig 2) y de all se concluye sobre n. 32. 8/24/2012 OSMOSIS 32 Tiempo (das) Figura 2. Grfica semi log Cambio en Calidad versus tiempo (Reaccin de primer orden) 33. USO DE CINTICA DE REACCIONES Ejercicios: Parte 1 Orden de la Reaccin 34. 8/24/2012 OSMOSIS 34 USO DE CINTICA DE REACCIONES II. Dependencia de la Temperatura: Ecuacin de Arrhenius En la vida real, el producto puede estar sometido a variaciones de T Estrecha dependencia entre Temperatura, T, y la velocidad de las reacciones, k. Normalmente, la constante de velocidad de reaccin, k, obedece a la relacin de Arrhenius. 35. 8/24/2012 OSMOSIS 35 USO DE CINTICA DE REACCIONES II. Dependencia de la Temperatura: Ecuacin de Arrhenius (Cont) k = koe (Ea / RT) (9) en donde ko = factor preexponencial Ea = Energa de activacin de la reaccin R = constante ideal de los gases (8.314 kJoule/kmol-K 1.986 cal/mol-K ) T = Temperatura en K (C + 273 ) 36. 8/24/2012 OSMOSIS 36 USO DE CINTICA DE REACCIONES II. Dependencia de la Temperatura: Ecuacin de Arrhenius (Cont) Despus de un procedimiento aritmtico obtenemos: ln k = ln ko (Ea/RT) log k = log ko (Ea/2.303R).(1/T) (10) Es una lnea recta en grfica semi-logartmica (log k vrs 1/T - Figura 3) Ea/R es la pendiente (m) de la lnea (Ea=mxRx2.303) La grfica se obtiene a partir del clculo de k (ecuaciones 2 y 3) a distintas temperaturas. Por lo menos tres Temperaturas (mejor si ms) para tener cierta exactitud. 37. 8/24/2012 OSMOSIS 37 Velocidaddereaccin(k) 1/T K x10-3 Figura 3. Grfica de Arrhenius de Velocidad de Reaccin, k, vrs inverso de Temperatura absoluta para 2 reacciones 38. 8/24/2012 OSMOSIS 38 USO DE CINTICA DE REACCIONES II. Ecuacin de Arrhenius (Cont) Su mayor valor reside en que utilizando valores elevados de T (40, 50, 60,70 oC), se calculan k y luego se extrapola a temperaturas menores (Fig 4). A travs de k a esa temperatura menor se calcula ts usando ecuaciones anteriores en funcin de n. Sin embargo: - Estadsticamente, mejor 6 o ms Temperaturas. - Alto costo de anlisis (Equipo, incubadoras, tiempo, etc) - No siempre se obtiene una lnea recta. 39. 8/24/2012 OSMOSIS 39 Velocidaddereaccin(k) 1/T K x10-3 Figura 4. Prediccin de la vida til por extrapolacin desde una temperatura elevada a una menor, sobre una grfica de Arrhenius. 40. USO DE CINTICA DE REACCIONES Causas para grficas de Arrhenius no lineales/errores: 1) Cambios de estado. 2) Cristalizacin de carbohidratos. 3) Concentracin de reactantes al congelar. 4) Cambios en mecanismos/competencia de reacciones. 5) Cambios en Aw. 6) Cambios en solubilidad de gases (O2). 7) Desnaturalizacin de protenas. 8) Cambios en pH 9) Separacin de reactantes entre dos fases. 41. USO DE CINTICA DE REACCIONES Ejercicios: Parte 2 Ecuacin/Grfica de Arrhenius 42. 8/24/2012 OSMOSIS 42 USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Grfica de vida til/Factor Q 10 (Cont) Manipulando matemticamente la ecuacin de Arrhenius y la ecuacin (4) se llega a una lnea recta que puede graficarse en log ts contra 1/T (Figura 5a). La ecuacin de la lnea es: ln ts = ln to + (Ea/R).(1/T) (11) con pendiente m = Ea/R (Ea = m x R x 2.303) 43. 8/24/2012 OSMOSIS 43 USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Grfica de vida til/Factor Q 10 (Cont) Si slo se considera un rango pequeo de Temperatura ( +20oC), se obtiene una lnea recta graficando log ts contra T (Figura 5b). 44. 8/24/2012 OSMOSIS 44 Figura 5. Grfica del logaritmo de la vida til versus el inverso de temperatura absoluta (a) y vrs temperatura (Grfica de vida til) (b) pend pendiente 45. 8/24/2012 OSMOSIS 45 USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Grfica de vida til/Factor Q 10 (Cont) Para construir la grfica se requieren por lo menos dos determinaciones de ts a dos temperaturas. Normalmente se utilizan temperaturas experimentales altas, para luego extrapolar a temperaturas menores (es un mtodo acelerado Fig 6). 46. 8/24/2012 OSMOSIS 46 USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Grfica de vida til/Factor Q 10 (Cont) La ecuacin de la lnea en Fig. 5b es ts= to e bT (12) (Vlida slo para pequeos rangos de T) o ln ts = ln to bT (13) en donde, to = Vida til a T referencia ts = Vida til a cualquier T T = Diferencia de Temperaturas b = ln Q10 /10 (pendiente de la lnea) Q10 = Sensitividad de la reaccin a un cambio de T de 10 oC 47. USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Factor Q 10 : El factor Q 10 es otro parmetro usado para describir la relacin entre la temperatura y la constante de velocidad de reaccin, k. Q10 = Sensitividad de la reaccin a un cambio de T de 10 oC. Q10 = _Velocidad de reaccin a (T + 10 oC) Velocidad de reaccin a (T oC) 48. USO DE CINTICA DE REACCIONES III. Factor Q 10 (Cont) Puesto de otra forma: Q10 = __Vida til a T oC__ Vida til a (T + 10 oC) = __ts a T oC___ (14) ts a (T + 10 oC) Puede calcularse de la Grfica de Vida Util (Fig 5b) 49. Meses c Figura 6. Grfica de vida til para un alimento deshidratado con una vida deseada de 18 meses a 23C y tiempos equivalentes en test acelerado a 40C. 50. 8/24/2012 OSMOSIS 50 USO DE CINTICA DE REACCIONES Problemas para construir las grficas: - Determinar el atributo a medir (A) y cmo medirlo. - Establecer cunto de A debe perderse para dar por terminada la vida til del producto. - Otras consideraciones, ej: la precisin analtica en la medicin del atributo A afecta el valor obtenido de la constante k. 51. 8/24/2012 OSMOSIS 51 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Generalidades relacionadas con reacciones y estabilidad: - Todo producto tiene un atributo de calidad de mayor sensibilidad (sabor, textura, prdida de un ingrediente, formacin de compuesto indeseable..) - Cambios debido a: Procesamiento, Almacenaje (comercial y consumidor), Distribucin, Manejo general. - La mayora de velocidades de reaccin se incrementan al incrementarse la aw. - La mayora de velocidades tienen mejor correlacin con la aw que con el contenido de humedad. 52. 8/24/2012 OSMOSIS 52 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Generalidades relacionadas con reacciones y estabilidad -2 : - Las energas de activacin decrecen al incrementarse la aw. - La sensibilidad de una reaccin a la temperatura cambia conforme cambia la aw. - El contenido de humedad impacta directamente la reaccin de Maillard al disolver/diluir los reactantes. - Una reduccin en aw o en contenido de humedad puede cambiar el pH; los cambios en pH pueden afectar la estabilidad qumica del producto (ej: Maillard, degradacin de aspartame..) 53. 8/24/2012 OSMOSIS 53 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL Generalidades relacionadas con reacciones y estabilidad -3: - Problemas en mtodos acelerados a temperaturas de abuso/extremas: Cambios en aw con cambios de T Cambios en pH con cambios de T La solubilidad de los reactantes cambia Pueden haber cambios de fase Surgen reacciones qumicas en competencia. 54. 8/24/2012 OSMOSIS 54 ESTIMACION DE LA VIDA UTIL CONSIDERACIONES FINALES - No es un procedimiento sencillo - Toma tiempo - Exige conocimiento - Involucra varias disciplinas (qumica y bioqumica de alimentos, microbiologa, cintica, aritmtica, clculo, estadstica, evaluacin sensorial, fsico-qumica, anlisis). - Puede ser caro (cmaras, panel entrenado) - Requiere generacin de datos - Requiere identificacin y uso de investigacin anterior - Puede requerir distintos grados de sofisticacin. 55. ESTIMACION DE VIDA UTIL Consideraciones Finales (Cont) - Para obtener datos confiables, la estimacin de vida til debe hacerse para cada producto y situacin particular. - En cualquier caso, los modelos y ecuaciones existentes tienen limitaciones y brindan nicamente valores aproximados, cuando se cuenta con datos cinticos. 56. ESTIMACION DE VIDA UTIL Consideraciones Finales (Cont) - La vida til de cualquier alimento se ve afectada por muchos factores que no estn necesariamente incluidos en dichos modelos. - Siempre debe hacerse el estudio bajo condiciones normales para verificar la validez del modelo utilizado. 57. 8/24/2012 OSMOSIS 57 ESTIMACION DE VIDA UTIL MUCHAS GRACIAS Carlos Rafael Anzueto OSMOSIS Consultores-Guatemala (502) 2379-3789 al 91 cranzuetosmo@guate.net.gt www.osmosisconsultores.com Este material tiene Derechos Reservados. No puede utilizarse de ninguna manera sin autorizacin escrita de OSMOSIS Consultores