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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE CALKINÍ EN EL ESTADO DE CAMPECHE INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS INGENIERÍA DE ALIMENTOS II UNIDAD 3 TRATAMIENTO TÉRMICO

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Page 1: Unidad 4 tratamiento térmico

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE CALKINÍ EN EL ESTADO DE

CAMPECHE

INGENIERÍA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

INGENIERÍA DE ALIMENTOS II

UNIDAD 3TRATAMIENTO TÉRMICO

AUTOR: ING. JUAN ALBERTO MOO PUC

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2 PRESENTACIÓN

Este paquete didáctico contempla los materiales básicos de aprendizaje para la asignatura de Ingeniería de alimentos II, unidad 4; en ella podrá encontrar una introducción al tratamiento térmico.

En este capitulo podrá encontrar desde la definición del tratamiento térmico como una tecnología de transformación y conservación de los alimentos, hasta aspectos ingenieriles como son los diferentes métodos para el calculo de los valores de varios tipos de tratameinto térmico.

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3 ÍNDICE DE CONTENIDO

TRATAMIENTO TÉRMICO

3.1 Introducción.3.1.1 Importancia y objetivo del tratamiento térmico3.1.2 Esterilización comercial

3.2 Definición de los parámetros3.2.1 Tiempo de muerte térmica en microorganismos3.2.2 Efecto de la temperatura en la muerte térmica

3.3 Transferencia de calor3.3.1 Modelos de convección perfecta3.3.2 Modelos de conducción perfecta

3.4 Consideraciones prácticas3.4.1 Tiempo de elevación de temperatura en las latas y autoclave3.4.2 Temperatura inicial 3.4.3 Temperatura de autoclave3.4.4 Tamaño de la lata

3.5 Cálculo de procesamiento térmico.3.5.1 Método general de Bigelow3.5.2 Método de la formula de Ball3.5.3 Letabilidad y valores de f y z requeridos para un proceso

3.6 Pasteurización.3.6.1 Importancia: beneficios y desventajas3.6.2 Pasteurización y ultrapasteurización3.6.3 Proceso por lotes 3.6.4 Procesos continuos3.6.5 Equivalencia de los procesos de pasteurización

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4 OBJETIVOS GENERALES DE LA UNIDAD TEMÁTICA

TEMA 3.1. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO TÉRMICO

Al final de este tema el alumno conocerá la definición de tratamiento térmico, su objetivo e importancia en la industria de los alimentos, asi como los diferentes tipos de tratamiento térmico que existen en la actualidad.

TEMA 3.2 DEFINICION DE LOS PARAMETROS DE TRATAMIENTO TERMICO

En este tema el alumno comprenderá y analizara el concepto de muerte térmica, como uno de los parámetros mas importantes del tratamiento térmico, y el efecto directo de la temperatura en el.

TEMA 3.3 TRANSFERENCIA DE CALOR

En este tema el alumno conocerá los aspectos teoricos de la transferencia de calor, por convección y conducción, como variable importante para los diferentes tratamientos térmicos, los modelos de convección y conducción, las temperaturas de importancia.

TEMA 3.4 CONSIDERACIONES PRACTICAS

Al finalizar este tema el alumno conocerá mediante un ejemplo de un ciclo de esterilización, los elementos principales de una autoclave (Industrial).

TEMA 3.5 CALCULO DE PROCESAMIENTO TERMICO

En este tema el alumno conocerá las ecuaciones de los métodos de Bigelow y de Ball para el calculo de los valores de F que corresponde al tiempo de la temperaura.

TEMA 3.6 PASTERIZACIÓN

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Como último tema de esta introducción al tratamiento térmico el alumno conocerá de la técnica mas empleada en la industria: la pasterización, mediante ejemplos comparativos del funcionamiento del UHT y HTST.

5 INSTRUCCIONES GENERALES PARA EL USO DEL PAQUETE DIDÁCTICO

El presente material ha sido elaborado para un aprendizaje autodidacta del alumno para ello debe seguir las siguientes instrucciones:

1.- Consultar el índice de contenido de la unidad temática: en el encontrará todos los temas y subtemas de que consta el material.

2.- Consultar los objetivos generales que corresponden a cada tema: en este caso existen 6 temas que corresponden a los del índice de contenido, en este apartado se exponen las acciones que el alumno deberá realizar para alcanzar el logro de la unidad.

3.- A continuación una vez que el alumno conoce de los objetivos, para su logro deberá consultar el desarrollo de los temas integrantes de la unidad, que se encuentran en el siguiente apartado, estudiarlos de manera que logre alcanzar el objetivo señalado anteriormente.

El material esta dividido en temas con su correspondiente contenido que corresponden a los objetivos a alcanzar y este contiene subtemas que corresponden a cada uno de los conocimientos que el alumno debe de asimilar para poder cumplir con éxito la meta final.

4.- Conforme vaya estudiando, puede realizar la investigación documetal que se señala, en la que se encuentran los temas que corresponde al logro del objetivo, el formato y el sistema de calificación serán los que el instituto tiene estandarizado para ello: ver anexo

5.- Una vez finalizado el trabajo de investigación documental y adquirido los conocimientos que los temas y subtemas marcan, realice la auto evaluación y compruebe si realmente domina la unidad temática.

Si la autoevaluación es exitosa usted ya esta preparado para continuar el estudio de la siguiente unidad temática “felicidades”.

En caso contrario repase de nuevo los subtemas que no domina intentando alcanzar el objetivo marcado, repita esto tantas veces como sea necesario.

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6 DESARROLLO DE LOS TEMAS INTEGRANTES DE LA UNIDAD TEMÁTICA

INSTRUCCIONES: LEE CUIDADOSAMENTE EL MATERIAL, Y AL FINAL REALIZA LAS ACTIVIDADES QUE SE TE INDICAN

TEMA 3.1. Al final de este tema el alumno conocerá la definición de tratamiento térmico, su objetivo e importancia en la industria de los alimentos, asi como los diferentes tipos de tratamiento térmico que existen en la actualidad.

UNIDAD 3 TRATAMIENTO TERMICO DE ALIMENTOS

El hombre aprendió a lo largo de los siglos, por vía empírica a explotar las temperaturas extremas para la conservación de sus alimentos. Observó que enfriándolos se retrasaba su alteración; que manteniéndolos en estado congelado se conservaban durante largos períodos de tiempo; que el calentamiento eliminaba los agentes de la alteración de origen microbiano y que, si se evitaba la recontaminación mediante un envasado adecuado, los alimentos térmicamente tratados podían conservarse incluso a la temperatura ambiente.

Del mismo modo, conoció que algunos alimentos, mantenidos a temperatura ambiente, sufren modificaciones de sus propiedades organolépticas, pero siguen siendo aptos para el consumo y se vuelven más estables. Así fue desarrollando una amplia variedad de alimentos fermentados, muchos de ellos originalmente asociados a los alimentos frescos disponibles en la región y a una determinada raza o tradición. La sociedad moderna consume cientos de productos fermentados que siguen siendo esencialmente idénticos a los que se consumían hace varias generaciones pese a que muchos de ellos fueron favorecidos por la aplicación de los avances científicos y técnicos. Las fermentaciones utilizadas generalmente son las lácticas y las alcohólicas, o una combinación de ambas. Si el alimento original contiene un azúcar fermentable y se encuentra poco salado es probable que se produzca una fermentación láctica. Si su sabor es ácido, lo esperable es una fermentación alcohólica. En cualquier caso, para conseguir las características deseadas en el producto fermentado, resulta esencial el control de la temperatura.

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 termorresistencia 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

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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.

Los microorganismos sobreviven a temperaturas inferiores a la mínima de crecimiento. Los efectos letales de la refrigeración y la congelación dependen del germen considerado, del microambiente y de las condiciones de tiempo y temperatura de almacenamiento. Algunos microorganismos permanecen viables durante largos periodos de tiempo si se mantienen congelados a temperaturas suficientemente bajas.

Los tratamientos térmicos y la preservación de los alimentos

Se emplea el calor para impedir el crecimiento de los microorganismos aplicando temperaturas adecuadas para su destrucción o manteniéndolos a temperaturas algo por encima de las que permiten el desarrollo microbiano, como sucede cuando se mantiene caliente la comida después de su preparación, en espera de proceder a servirla. También pueden tener efectos antibacterianos los tratamientos térmicos a que se someten los alimentos persiguiendo otros objetivos. El escaldado, utilizado en la conservación de vegetales para inactivar las enzimas, fijar el color, reducir el volumen, etc., destruye la mayor parte de las células vegetativas bacterianas, así como los mohos y las levaduras. En forma similar, algunos sistemas de cocción o precocción, como los que se aplican a los crustáceos para facilitar la eliminación del caparazón, o al atún para su desengrasado antes del enlatado, ejercen efectos letales sobre las bacterias. Como los efectos letales del calor son acumulativos, los tratamientos térmicos suaves, como el escaldado o la precocción, pueden incrementar la eficacia del auténtico tratamiento térmico letal subsiguiente, eliminando algunos gérmenes sensibles al calor y sensibilizando los tipos más termorresistentes.

Cuando se pretende utilizar el calor para la destrucción de los microorganismos presentes en los alimentos, se puede recurrir a diferentes procedimientos

Cómo conservar alimentos de forma tradicional mediante el uso de calor?

Hay diferentes niveles de tratamiento con calor, he aquí sus características generales:

o Esterilización: Eliminación completa de microorganismos (MO) o Esterilización comercial: Se permite la presencia de algunos

esporas que no poliferan en el alimento. o Pasterización: Eliminación de MO patógenos. Se combina con

la refrigeración. o Escaldado: Inactivación enzimas, y quizás algunos MO.

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Alimentos tratados por el calorEl uso de los diversos tratamientos térmicos, junto con otras tecnologías como la refrigeración, facilita la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El calor inactiva o destruye a los patógenos. Por ello, conviene saber usarlo adecuadamente. Una mala aplicación en el ámbito doméstico o en el industrial puede provocar efectos contrarios a los deseados.

La aplicación de calor a los alimentos se remonta a los tiempos en que el ser humano descubrió cómo hacer fuego y observó empíricamente los beneficios que esta práctica aportaba. Actualmente, el térmico es uno de los tratamientos que hacen posible la existencia de productos sanos de larga vida comercial. El tratamiento térmico permite que las conservas se puedan almacenar el producto a temperatura ambiente garantizando su seguridad. Asimismo, el uso de los diversos tratamientos térmicos, junto con otras tecnologías como la refrigeración, facilita el comercio de productos alimenticios entre distintos países, incluso cuando están geográficamente muy alejados.

Qué hace el calor en los alimentos La aplicación del calor en los alimentos tiene varios objetivos. El primero de ellos es convertir a los alimentos en digestibles, hacerlos apetitosos y mantenerlos a una temperatura agradable para comerlos.

El uso del calor persigue destruir agentes biológicos para obtener productos más sanos y duraderos

Del mismo modo, los tratamientos térmicos persiguen destruir agentes biológicos, como bacterias, virus y parásitos con la finalidad de obtener productos más sanos; conseguir productos que tengan una vida comercial más larga, debido fundamentalmente a la eliminación o reducción de los microorganismos causantes de la alteración de los alimentos; y disminuir la actividad de otros factores que afectan a la calidad de los alimentos, como determinadas enzimas (por ejemplo, las que producen el oscurecimiento de los vegetales cuando éstos son cortados).

El tratamiento térmico que precisa cada alimento depende de la naturaleza de cada producto. Algunos sólo permiten ciertas temperaturas pues, de otro modo, provoca cambios en su aspecto y su sabor. En otros, sin embargo, las altas temperaturas no producen alteraciones. De cualquier forma, cuanto mayor es el tratamiento térmico, mayor número de gérmenes se destruyen, ya que al someter a los microorganismos a una temperatura superior a la que crecen, se consigue la coagulación de las proteínas y la inactivación de las enzimas necesarias para su normal metabolismo, lo que provoca su muerte o lesiones subletales.

Por tanto, las temperaturas altas aplicadas en los alimentos actúan impidiendo la multiplicación de los microorganismos, causando la muerte de las formas vegetativas de éstos o destruyendo las esporas formadas por ciertos microorganismos como mecanismo de defensa frente a agresiones externas.

Cuanto mayor sea la cantidad de microorganismos que se encuentren en el alimento, más tiempo se tardará en reducir el número de supervivientes a un valor determinado. Por eso, el sistema de preparación de cada producto precisa de diferentes combinaciones de tiempo y temperatura.

Los sistemas de tratamiento por calor

Los procesos tecnológicos utilizados para tratar a los alimentos por calor se han desarrollado y perfeccionado, sobre todo, durante el siglo XX. Entre ellos podemos destacar:

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El escaldadoEs un tratamiento térmico suave que somete al producto durante un tiempo más o menos largo, a una temperatura inferior a 100 grados. Se aplica antes del procesado para destruir la actividad enzimática de frutas y verduras.

Es un tratamiento térmico entre 95º y 199ºC que dura varios minutos, y se aplica a sistemas tisulares como etapa previa a otras operaciones como la congelación, enlatado, liofilización o secado. Previa a la congelación se busca la destrucción de enzimas que afectan el color, sabor y contenido vitamínico. Hay dos enzimas ampliamente distribuidas en diversas plantas que son resistentes al calor: la peroxidasa y la catalasa. La medida de su ausencia de actividad se usa normalmente como indicador de la efectividad del escaldado. Así se han determinado valores para tiempo de escaldado, a saber:

Fuente : Lund, 1975

El escaldado puede hacerse con agua, vapor, aire caliente o microondas. Para frutas se usan a veces salmueras con sales de calcio que les proporcionan mayor dureza por la formación de pectatos de calcio.

En la liofilización se acostumbra escaldar previamente el alimento para que, además de la inactivación enzimática y reducción de la carga microbiana descritas, se facilite la rehidratación. Antes de enlatar se escalda para remover gases (especialmente oxígeno disuelto) , inactivar enzimas, y limpiar y aumentar la temperatura de los tejidos.

Los inconvenientes que ocasiona el escaldado son los altos consumos de vapor ( 1 ton / ton de producto cuando se usa agua y entre 0.2 y 0.3 ton vapor / ton de producto) , lo que implica un gran consumo energético ( en algunos casos puede representar hasta el 40% del costo de la energía en un proceso ), pérdida de material soluble de importancia nutricional como proteínas, azúcares, minerales y vitaminas. Finalmente esta operación puede ser una fuente de polución por la generación de aguas residuales y olores.

Se utiliza en la conservación de las hortalizas para fijar su color o disminuir su volumen, antes de su congelación, con el fin de destruir enzimas que puedan deteriorarlas durante su conservación. Esta manipulación no constituye un método de conservación, sino un tratamiento aplicado en la manipulaciones de preparación de la materia prima. El escaldado reduce el número de microorganismos contaminantes, principalmente mohos, levaduras y formas bacterianas vegetativas de la superficie de los alimentos, y contribuye, por tanto, al efecto conservador de operaciones posteriores.

La pasteurización

Es un tratamiento relativamente suave (temperaturas normalmente inferiores a 100 grados), que se utiliza para prolongar la vida útil de los alimentos durante varios días, como en el caso de la leche, o incluso meses (fruta embotellada).

Este método, que conserva los alimentos por inactivación de sus enzimas y por destrucción de los microorganismos sensibles a altas temperaturas (bacterias no

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esporuladas, como levaduras y mohos), provoca cambios mínimos tanto en el valor nutritivo como en las características organolépticas del alimento.

La intensidad del tratamiento y el grado de prolongación de su vida útil se ven determinados principalmente por el pH. El objetivo principal de la pasteurización aplicada a alimentos de baja acidez (pH mayor a 4,5) es la destrucción de las bacterias patógenas, mientras que en los alimentos de pH inferior a 4,5 persigue la destrucción de los microorganismos causantes de su alteración y la inactivación de sus enzimas.

Aunque prolonga la vida comercial de los alimentos, la efectividad de la pasteurización es sólo relativa, pues debe ir acompañada por otros métodos de conservación, como la refrigeración.

Los tiempos y temperaturas de tratamiento varían según el producto y la técnica de pasteurización. Hay un método de temperatura alta y tiempo corto (pasteurización alta) en el que la temperatura es de 71,7 grados y el tiempo de 15 segundos; y otro de temperatura baja y tiempo largo: son 62,8 grados durante treinta minutos, de aplicación en la leche aunque pueden existir otros sistemas para derivados lácteos.

La esterilización

Es un procedimiento más drástico, en el que se somete al alimento a temperaturas de entre 115 y 127 grados. Para alcanzarlas, se utilizan autoclaves o esterilizadores. El proceso se debe mantener un cierto tiempo (en algunos alimentos, hasta veinte minutos), y la temperatura afecta al valor nutricional (se pueden perder algunas vitaminas) y organoléptico de ciertos productos.

Al realizar un tratamiento esterilizante hay que tener en cuenta algunos factores, como el pH del alimento y la termorresistencia de los microorganismos o los enzimas. De entre los microorganismos patógenos esporulados eventualmente presentes en los alimentos de baja acidez (pH mayor a 4,5), Clostridium botulinum es el más peligroso.

La esterilización UHT se basa en utilizar altas temperatura (135-150ºC, durante 1 y 3 segundos). Es cada vez más utilizado, ya que su repercusión sobre el valor nutricional y organoléptico de los alimentos es menor que la esterilización convencional.

La esterilización se emplea en leche, zumos de frutas y concentrados, nata y otros muchos productos a los que alarga su vida útil como mínimo tres meses, sin que para ello se requiera refrigeración, pudiéndose prolongar entre dos a cinco años en función del tipo de alimento y el tratamiento aplicado.

LA COCCIÓNSu función es convertir los alimentos en productos digestibles, hacerlos apetitosos, dotarlos de una temperatura agradable para consumirlos y eliminar los posibles microorganismos. Sin embargo, la cocción no sirve para conservar los alimentos y puede hacerlos incluso más sensibles al crecimiento bacteriano puesto que permite aumentar las poblaciones de bacterias patógenas, y la alteración y la producción de toxinas. La cocción puede destruir los microorganismos sensibles a las altas temperaturas a la vez que permite que sobrevivan las formas termorresistentes (que incluyen las esporas bacterianas), traduciéndose en una selección.

Lo más difícil es lograr la cocción de las partes internas de los alimentos y conseguir que el procedimiento sea letal para los agentes patógenos. Ello depende del espesor del alimento que está siendo cocido, la temperatura del aceite o del agua y la duración de la cocción. Los métodos de cocción más frecuentemente empleados son:

Horneo y asado

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Son esencialmente la misma operación, ya que en ambas se hace uso de aire caliente para modificar las características de los alimentos. Sin embargo, la aplicación de uno u otro término depende del proceso. Tiene un objetivo secundario, que es la conservación del alimento por destrucción de su carga microbiana y por reducción de la actividad de agua en su superficie debido a la deshidratación (es decir, la disminución de la disponibilidad de agua, importante para el desarrollo de los microorganismos). No obstante, la vida útil de la mayor parte de los alimentos sometidos a esta operación es corta si no se complementase mediante la refrigeración o el envasado.

En el horno, el calor pasa al alimento por radiación desde las paredes, por convección del aire circulante y por conducción a través de la bandeja sobre la que descansa. Si bien en algunos tipos de alimentos, como en algunos pasteles, el calor se transmite en los primeros momentos del horneo, por convección, la mayor parte del intercambio calórico se produce por conducción.

Fritura en aceite

La cocción lenta puede ser eficaz para destruir microorganismos por los efectos acumulativos de la exposición al binomio tiempo-temperatura. La fritura (tratamiento por calor en aceite a temperaturas entre 180 y 250ºC) es una operación destinada a modificar las características organolépticas del alimento. Un objetivo secundario de la fritura es el efecto conservador que se obtiene por destrucción térmica de los microorganismos y enzimas presentes en el alimento, y por la reducción de la actividad de agua en la superficie del mismo (o en toda su masa, en los alimentos cortados en rodajas finas). Cuando un alimento se sumerge en aceite caliente, su temperatura aumenta en la superficie y empieza a deshidratarse. Se forma una corteza y el frente de evaporación va trasladándose hacia el interior del producto. La temperatura en la superficie del alimento alcanza la del aceite caliente y la interna aumenta lentamente.

Hornos microondas

En una forma de emisión de energía electromagnética que se transmite en forma de ondas penetrando en el alimento y se convierte en calor. Estas ondas producen la activación de las moléculas de agua que transmiten calor a los tejidos contiguos. El tiempo de calentamiento es menor que en los métodos convencionales y no provoca cambios relevantes en la superficie de los alimentos.

Durante la cocción con microondas, la distribución del calor es variable en los diferentes productos y en el interior de un mismo producto. Así, tienen una escasa profundidad de penetración en piezas grandes de alimentos. Además, la evaporación del agua en su superficie tiene efecto refrigerante, siendo la causa de la supervivencia de microorganismos en las superficies y sus proximidades. Si bien existen ya una ingente cantidad de estudios para determinar la repercusión microbiológica del calentamiento en microondas, las cosas todavía no están del todo claras aunque prevalece la impresión de que la inactivación bacteriana va simplemente en función de la relación tiempo- temperatura, al igual que en cualquier otro tratamiento térmico.

7.Qué tratamiento térmico emplear?

Como el tiempo en que se aplique una cantidad de calor afectará las propiedades sensoriales y las nutricionales del alimento y sin duda los costos, se debe conocer el tipo de MO que pueden estarlo contaminando para asegurar su adecuada destrucción.

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También hay que conocer las características de penetración del calor en el alimento. Esta información permitirá racionalizar el empleo de energía y de equipos.

El tratamiento térmico será más prolongado o a mayor temperatura, en la medida que el alimento se encuentre más contaminado, su pH sea más alto, su viscosidad sea más elevada, o más nutritivo sea para los MO patógenos (presencia de azúcares, almidón o proteínas) o tenga menor contenido de agua.

En el caso de las frutas y sus derivados, no se corre mucho peligro de contaminación con MO patógenos para los humanos, ya que estos MO no crecen en medios de alta acidez o bajo pH o con la composición en nutrientes que caracterizan a las frutas.

Cuales son las dos variables mas importantes del trata miento térmico. a) Tiempo-tipo de alimentob) Tipo de alimento-Velocidad de calentamiento c) Temperatura-tiempod) Temperatura-velocidad de calentamiento e) Tipo de alimento-factor de crecimiento microbiano Cuando los microorganismos son incapaces de reproducirse se dice que el tratamiento térmico les provoco: a) Lesiones subletales b) Esterilidad c) Mutancia d) Lesión térmica e) Muerte térmica Cuales son los microorganismos mas resistentes al tratamiento térmico: a) Las esporas bacterianas b) Los bacteriófagos c) Los hongos d) Los basófilos e) Las bacterias

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJEINSTRUCCIONES:

REALIZA UNA INVESTIGACIÓN DE CAMPO EN TU MUNICIPIO E IDENTIFICA QUE TIPO DE INDUSTRIAS O COMERCIOS UTILIZAN EL TRATAMIENTO TÉRMICO APLICADO EN LOS ALIMENTOS.

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INSTRUCCIONES: LEE CUIDADOSAMENTE EL MATERIAL, Y AL FINAL REALIZA LAS ACTIVIDADES QUE SE TE INDICAN

TEMA 3.2 DEFINICION DE LOS PARAMETROS DE TRATAMIENTO TERMICO

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En este tema el alumno comprenderá y analizara el concepto de muerte térmica, como uno de los parámetros mas importantes del tratamiento térmico, y el efecto directo de la temperatura en el.

La combinación de temperatura y de tiempo de retención (el tiempo durante el cual el alimento es mantenido a la temperatura necesaria para lograr el efecto deseado) es muy importante, ya que determina la intensidad de¡ tratamiento térmico. La Figura 1 muestra las curvas de efecto letal para distintos tipos de bacterias patógenas. De acuerdo con estas curvas, las bacterias coliformes mueren si el alimento, en este caso la leche, es calentado a 70'C y mantenido a esta temperatura por alrededor de un segundo. A una temperatura de 65ºC será necesario un tiempo de retención de 10 segundos para matar dichas bacterias. Estas dos combinaciones, 70ºC/1s y 65ºC/10s tienen consecuentemente el mismo efecto letal.

Los bacilos de la tuberculosis son más resistentes al tratamiento térmico que las bacterias coliformes. Se requiere un tiempo de retención de 20 segundos a 70ºC o de alrededor de 2 minutos a 65ºC para asegurar que sean totalmente destruídos.

También podría haber micrococos resistentes al calor. Como regla general, no son peligrosos para la salud humana.

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Cuando los microorganismos y/o las esporas de bacterias son sometidos a un tratamiento térmico o cualquier otra clase de procedimiento esterilizante / desinfectante, no todos los microorganismos mueren a la vez. En vez de esto, una cierta proporción es destruida en un período de tiempo dado mientras que el resto sobrevive. Si los microorganismos sobrevivientes son una vez más sujetos al mismo tratamiento por el mismo período de tiempo, una proporción igual de éstos serán destruídos, y así sucesivamente. En otras palabras, una dada exposición a agentes esterilizantes o desinfectantes siempre elimina la misma proporción del recuento inicial de cada etapa, con lo cual la cinética de la muerte térmica, en condiciones isotérmicas, es claramente de primer orden.

El efecto letal de la esterilización en los microorganismos puede entonces ser expresado matemáticamente como la siguiente función logarítmica:

k · t = log Nt/Nº,

donde

Nº = número de microorganismos (esporas) originalmente presentes (recuento inicial) Nt = número de microorganismos (esporas) presentes luego de un tiempo dado de tratamiento (t) k = constante específica de la reacción de muerte térmica (1/s) t = tiempo de tratamiento (s)

Esta fórmula da como resultado una línea recta cuando se dibuja como un gráfico semilogarítmico con el tiempo de tratamiento expresado en el eje lineal de las abscisas y el número de sobrevivientes en el eje logarítmico de las ordenadas (Fíg 4). La constante de reacción indica cuán rápidamente ocurre la destrucción de microorganismos (o constituyentes) a una temperatura constante. Los microbiólogos de alimentos usan el valor D para indicar el tiempo de calentamiento necesario, a temperatura constante T, para destruir el 90% de la población presente. Esto implica una reducción de la concentración en 10 veces. Este es el tiempo mostrado en la Figura 4.

Las unidades para D(t) son magnitudes de tiempo (segundos o minutos), y las unidades para k(T) son inversas de tiempo.

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Una función logarítmica nunca puede alcanzar el valor cero. En otras palabras, la esterilidad definida como la ausencia de esporas vivientes en un volumen ilimitado de producto, es imposible de lograr.

Un concepto más útil y realista es el de "efecto esterilizante* o "eficiencia de esterilización". Estos términos establecen el número de reducciones decimales en el recuento de esporas bacterianas logrado por un proceso dado de esterilización.

Cada vez que es llevado a cabo un proceso de esterilización, éste puede ser caracterizado por un cierto efecto esterilizante En cualquier proceso térmico de esterilización, el efecto esterilizante es determinado por la combinación de tiempo/ temperatura aplicada. A mayor temperatura y mayor tiempo de retención, el proceso será más eficiente.

El efecto esterilizante es expresado por el número de reducciones decimales logrado mediante el proceso. Por ejemplo, como se mencionó durante el análisis de la Figura 3, tomemos el caso de un efecto esterilizante o valor letal logarítmico de 9. Un efecto esterilizante de 9 indica que de 109 esporas bacterianas que ingresaron al proceso, solamente sobrevivirá 1 (100). El efecto esterilizante es independiente del volumen.

log 109 - log 100 =9 - 0 = 9

Las esporas de Bacíllus subtilis o de Bacillus stearothermophilus son usadas generalmente como organismos de prueba para determinar el efecto esterilizante del equipamiento UHT, ya que estas bacterias - especialmente el B. stearothermophilus - forman esporas altamente resistentes al calor.

El Clostridium botulinum es usado para el cálculo de¡ efecto de la esterilización realizada con el producto dentro del recipiente.

El equipamiento para la esterilización continua (tratamiento UHT) tiene habitualmente un efecto esterilizante de alrededor de 10 a 12 al ser empleadas las esporas de B. subtilis, y de alrededor de 8 al usarse las esporas de B. stearothermophílus, mientras que el efecto esterilizante del proceso en contenedores no deberá ser menor a 12 cuando se utilizan esporas de Ciostriídium botulínum.

Obviamente, el efecto esterilizante dependerá de:

-la combinación tiempo/temperatura

- la resistencia térmica de las esporas, que a su vez es influida por la cepa de Bacillus empleada y por la forma en que fueron producidas las esporas el producto en el que se lleva a cabo el tratamiento térmico

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El efecto letal sobre las esporas bacterianas comienza a darse a una temperatura de alrededor de 115ºC y se Incrementa muy rápidamente con el aumento de la temperatura.

Las bacterias pueden ser divididas en dos grupos:

1) Aquellas que únicamente existen como células vegetativas (fáciles de matar por calor u otros medios)

2) Aquellas que existen en estado vegetativo y también como esporas. Mientras que estas bacterias mueren fácilmente ante el calor en estado vegetativo, sus esporas son difíciles de eliminar.

Los productos a esterilizar contienen habitualmente una flora mixta conteniendo tanto células vegetativas como esporas. Desafortunadamente, la correlación entre ambas no es muy buena. Podemos encontrar altos recuentos de esporas en productos con recuentos totales bajos, y viceversa, de tal forma que determinar un recuento total no puede servir como una base confiable para cuantificar esporas bacterianas en productos alimenticios.

VALOR Q10

Como ya se ha mencionado, el efecto esterilizante de un proceso de esterilización se incrementa rápidamente con el aumento de la temperatura. Esto, por supuesto, también se aplica a las reacciones químicas que ocurren como consecuencia del tratamiento térmico. El valor Q10 ha sido introducido como una expresión de este incremento en la velocidad de una reacción. Este valor establece cuántas veces aumenta la velocidad de una reacción si la temperatura de¡ sistema es elevada en 10ºC.

Q10= k(T+5)/k(T-5) (no aplicable a ºF, sí a ºC o K)

El valor Q10 para los cambios en el flavor - y para la mayoría de las reacciones es de alrededor de 2 a 3, lo que indica que si se Incrementa la temperatura de un sistema en 1 OºC, la velocidad de las reacciones químicas se duplica o triplica. Por ejemplo, si una reacción tiene un valor Q10=3 y requiere de una hora para completarse a 100ºC, sólo requerirá de 1127 de dicho tiempo para completarse a 130ºC, esto es, 2 minutos.

Los valores Q10 pueden ser determinados también para la muerte de esporas bacterianas, habiéndose encontrado valores dentro de¡ rango de 8 a 30. La variación es tan grande debido a que las diferentes clases de esporas bacterianas reaccionan en forma diferente a los incrementos de temperatura. Los cambios en las propiedades químicas y en la destrucción de esporas por influencia del incremento de temperatura se muestran en la Fig 5

VALOR F0

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El valor F a una temperatura de referencia dada, es el tiempo en minutos equivalente a todo el calor destructivo de un proceso con respecto a la destrucción de un organismo caracterizado por un cierto valor z

Debido a que comunmente se asume un valor z de 10 'C (18 ºF) -para las esporas, los valores F calculados con este valor se han convertido en standard y son designados como F0. La temperatura de referencia es habitualmente 121ºC (250 ºF).

En este contexto debe ser mencionado también que la conexión entre el tiempo y la temperatura de esterilización se puede expresar además según el valor F0 de acuerdo con la siguiente función logarítmica:

F0 = (t/60)·10(T-121,1ºC)

donde t = tiempo de esterilización en segundos T = temperatura de esterilización en ºC z = un valor que expresa el incremento en la temperatura para obtener el mismo efecto letal en 1/10 del tiempo.

El valor varía con el origen de las esporas y puede ser fijado generalmente en 10ºC ,F0 es igual a 1 luego de que el producto es calentado a 121.1ºC durante 1 minuto. Para obtener leche comercialmente estéril a partir de leche cruda de buena cualidad, se requiere un valor F0 mínimo de entre 5 y 6.

VALORES B* Y C*

El rango efectivo de trabajo de los tratamientos UHT es definido también en algunos países por referencia a dos parámetros:

Efecto bacteriológico: B*

Efecto químico: C*

B* está basado en el supuesto de que la esterilidad comercial se alcanza a 135ºC durante 10. 1 segundos, con un correspondiente valor z de 10.5ºC. A este proceso de referencia se le da un valor B* de 1.0, representando una reducción de recuento de esporas termofílicas de 1099 por unidad.

El valor C* está basado en las condiciones para la destrucción de un 3% de Tiamina por unidad. Esto es equivalente a 135ºC por 30.5 segundos con un valor z de 31.4ºC.

Un proceso UHT opera satisfactoriamente en lo que respecta al mantenimiento de la calidad del producto cuando se cumplen las siguientes condiciones:

B* > 1

C* < 1

ECUACION DE ARRHENIUS

Otro método usado para describir la dependencia de la constante (velocidad) de reacción respecto de la temperatura fue introducida por Arrhenius como:

log k(T)= log A - (Ea/(2.303 RT))

Page 18: Unidad 4 tratamiento térmico

donde:

A = coeficiente de la ecuación de Arrhenius

Ea = energía de activación (cal/mol)

R = constante universal de los gases (1.987 cal/mol K)

T = temperatura asociada con la constante (K)

Esta ecuación está graficada en la Figura 6, en donde aparece log k(T) versus 1/T. La Energía de activación (Ea) es la energía necesaria para la reacción, y puede ser determinada a partir de la pendiente de esta recta,

-Ea/2.303 R

Como ocurre con los valores z, el valor Ea indica la sensibilidad a la temperatura de la velocidad de reacción. Sin embargo, como z está referido a los valores D, y éstos son recíprocos a los valores k, los valores z son inversamente proporcionales a los valores Ea. Cuanto mayor sea Ea, más va a ser aumentada la tasa de reacción por el incremento de temperatura, y viceversa. En cambio valores altos de z indican baja sensibilidad de la velocidad de reacción a la temperatura.

En la Tabla III podemos observar la relación entre los distintos parámetros indicadores de sensibilidad ante la temperatura.

Datos de destrucción térmica

D121ºC (mín) Z (ºC) Q10 Ea,(kcal/mol)

Vitaminas 100-1000 72-12.7 2,1-2.5 20-30 Destrucción de enzimas 1-10 11.1-37.8 1.5-31 12-100 Células vegetativas 0.002-0.02 11.1-13.3 31-178 100-120

Page 19: Unidad 4 tratamiento térmico

Esporas microbianas 01-5.0 5.6-11.1 6.5-31 53-83 (cepas termorresistentes) Calidad organoléptica 5-500 7.2-26.7 1.7-2.5 10-30 (sabor, color, textura, etc.)

"LA PARTICULA MAS RAPIDA"

Durante el diseño, se presta particular atención al tiempo de residencia en una celda o tubo de retención, con especial referencia al tiempo de retención para la "partícula más rápida". Dependiendo del patrón dé flujo del líquido (flujo turbulento), el coeficiente de eficiencia (eta) para la leche es 0.85 - 0.9. Esto implica aplicar un factor de corrección en los cálculos de los tiempos de retención. En el caso especial del régimen laminar, se indica que, aproximadamente, la partícula más rápida pasa por una celda de retención el doble de rápido que la partícula promedio, siendo el coeficiente de eficiencia (eta) 0.5, con la posibilidad que llegue hasta 0.85. Nótese que cuanto más cercano a 1 sea este factor, menor será el volumen del reactor de esterilización necesario.

VELOCIDAD DE EXTERMINIO TERMICO (muerte térmica) DE LOS MICROORGANISMOS

  Por un tratamiento térmico los microorganismos mueren con una velocidad de destrucción dada por:

para N , la población microbiana en una unidad de masa o volumen, y k una constante o velocidad de reacción, que depende del microorganismo y su medio externo.

Llamando N. la población inicial, en el tiempo t=0 , e integrando la expresión anterior,

, que también puede expresarse como,

Esta última expresión es una ecuación de una línea recta si se llama y = log N:

y-yo + mt, para yo=log N o y m=pendiente= . Gráficamente, para una temperatura T:

Page 20: Unidad 4 tratamiento térmico

Si se llama D al tiempo (min ) para que la población original se reduzca a un décimo ( )

Expresando la variación de la población en términos del tiempo de reducción decimal D:

D es el tiempo entre dos ciclos de la gráfica 1. N/N0 se conoce como probabilidad de deterioro y debe tener un valor menor que 1

VALOR DE ESTERILIZACION ACEPTABLE DE UN PROCESO

  ¿Cuál deberá ser el nivel seguro de concentración de microorganismos después de un tratamiento térmico en un alimento? Para los alimentos no ácidos ( pH > 5.3) el criterio aceptado es el que utiliza como microorganismo indicador al Clostridium Botulinum que deberá ver reducida por el calor su población inicial hasta 1012 veces. Según el modelo del ejemplo 2 esto corresponde a un tiempo igual a 12D. Algunos autores llaman a este valor tiempo de muerte térmica (TMT), otros lo llaman el valor F de cierta temperatura.

Page 21: Unidad 4 tratamiento térmico

N es el número de reducciones decimales requeridas para la muerte térmica de una población particular a una temperatura dada. Reemplazando F (que es un valor de tiempo) en la ecuación (6.5.4) se llega a

La efectividad del concepto 12D dependería de la población microbiana original en el alimento. Por ello se debe entender que la meta es , para el caso de alimentos de baja acidez, alcanzar una probabilidad de supervivencia de 10-12 (N= 10-12)

DETERMINACIÓN DE VALORES DE D USANDO LA TÉCNICA DE ESTERILIZACIÓN PARCIAL

  Esta técnica, propuesta por Stumbo (1973) permite la determinación de valores de D utilizando información de población sobreviviente a dos tiempos de calentamiento. La muestra demora un tiempo para alcanzar la temperatura de prueba (Tiempo de demora - lag time- en inglés); medido el tiempo de demora en el ensayo de interés, deben usarse tiempos de exposición superiores. Si t1 y t2 son los tiempos de calentamiento, y N1 y N2 son las poblaciones finales de supervivientes, el valor de D se halla según:

DEPENDENCIA DE LA TEMPERATURA Y VALOR Z

 

Hasta ahora se ha considerado solamente lo que pasa a una temperatura T. Si se estudia lo que sucede a otra temperatura diferente T1, debe primero conocerse la dependencia de la velocidad de reacción k con la temperatura:

Page 22: Unidad 4 tratamiento térmico

es un factor constante (min-1)E0 es la energía de activación (Kcal/mol ó KJ/mol)R es la constante universal de los gasesT es la temperatura absoluta en K

Se cumplirá entonces que

Restando estas dos igualdades:

Para D = D1 / 10, la igualdad anterior da z = T - T1

El incremento de temperatura T - T1 necesario para que el tiempo de reducción decimal se reduzca a la décima parte es el valor Z

Page 23: Unidad 4 tratamiento térmico

Tipo de tratamiento térmico usado en el atún para su desengrase: a) Cocción b) Pasterización c) Esterilización comercial d) Esterilización e) EscaldadoTipo de tratamiento térmico en donde hay una eliminación de microorganismos patógenos:

a) Cocciónb) Esterilización c) Pasteurizaciónd) Escaldado e) Esterilización comercial Que es lo que sucede en los microorganismos, cuando se aplica tratamiento térmico y estas se inactivas, por medio de un proceso muy necesario para su metabolismo normal: a) Efectos letalesb) Disolución de su membrana c) Partición de sus mitocondrias d) Coagulación de sus proteínase) Efectos subletales

ACTIVIDAD DE APRENDIZAJEINSTRUCCIONES:

REALIZA EN PAPEL LOGARITMICO LA CURVA DE SUPERVIVIENTESY DISCUTE LOS RESULTADOS EN EL SALON DE CLASE.

1. Defina conserva. ¿Cuál es el fundamento de conservación?2. ¿Qué diferencia hay entre esterilización, esterilización comercial y pasteurización?3. ¿Qué controles de calidad realizaría UD. en la recepción de envases de hojalata?4. ¿Qué operaciones incluye el acondicionamiento de las materias primas?5. ¿Qué objetivos tiene el escaldado en la elaboración de conservas?6. ¿Qué es el exhausting?7. ¿Porqué es importante dejar un espacio de cabeza en la elaboración de conservas?8. ¿Cuáles son considerados habitualmente PCC en la elaboración de conservas? ¿Explique porqué?9. ¿Cuando se alcanza la esterilización comercial en conservas de baja acidez? 10. ¿Para un mismo tratamiento letal, existen distintas parejas tiempo - temperatura ? Explique.11. ¿Qué es el Fo ? ¿Cuál es el microorganismo de referencia? ¿Por qué?12. Realice un diagrama de flujo de un proceso de elaboración de conservas en envases de hojalata.13. Realice un diagrama de flujo de un proceso de elaboración de conservas en envases flexibles.14. Grafique y explique un proceso de esterilización (incluido el enfriamiento) con cada etapa.

Page 24: Unidad 4 tratamiento térmico

        a) Temperatura vs tiempo        b) Presión vs tiempo15. ¿A qué temperatura final es conveniente que salgan las conservas de las autoclaves? ¿Por qué?16. ¿Cómo se clasifican las autoclaves? ¿ Cuáles son las más utilizadas por las conserveras marplatenses?17. Dibuje un esquema con los principales instrumentos de una autoclave.18. ¿Para qué se realiza el estufado? Explique.19. ¿Cómo debe ser la proporción  de fluido de cobertura en los productos terminado? Explique.20. ¿Cómo establecería los tiempos de esterilización para una conserva en la etapa de desarrollo de productos?21. ¿Qué son las curvas de penetración? ¿Para qué sirven? 22. ¿Qué ventajas y desventajas representa la utilización de retort pouches?23. ¿ A qué temperatura deben cerrarse los envases según el CAA? ¿Por qué cree?24. Una vez cerrado los envases: ¿Cuál es el tiempo máximo que puede permanecer el producto antes de ser esterilizado? ¿Por qué? ¿ Cómo se puede hacer para evitar superar este tiempo?.25. ¿Por qué ocurre la corrosión interna y externa de los envases de hojalata?26. ¿Cómo es el mecanismo de conducción de calor en una conserva de albóndigas en salsa de tomate? ¿Dónde debe ubicaría UD. la termocupla si desea realizar un estudio de penetración de calor en este producto?