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TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN LOS ALIMENTOS
I. INTRODUCCIÓN
La aplicación de algún tipo de tratamiento térmico a un alimento tiene como finalidad la destrucción de la carga microbiana que ocasione el deterioro en su calidad física, química o biológica, o que origine algún tipo de perjuicio en la salud del consumidor. Cada microrganismo tiene su propia resistencia al calor, y en función de dicha potencial carga y a las características del alimento se aplica un determinado tratamiento térmico; sin embargo, éste tiene que ser específico para así evitar efectos negativos que puede ocasionarle alteraciones físico, químicas o biológicas debido a un sobre tratamiento o permitir la sobrevivencia de alguna forma de vida que ocasione problemas en la salud del consumidor, debido a un sub tratamiento de calor. Toda aplicación de un determinado tratamiento térmico es consecuencia del conocimiento de un conjunto de factores, entre los que podemos citar a: La termo resistencia de la carga microbiana nativa presente en el alimento, La naturaleza, estado, presentación y tipo de alimento. El conocimiento de las propiedades asociadas a la conductividad del calor, las alteraciones por calor, la velocidad de transmisión de calor, etc. El tratamiento térmico, ocasiona no solo la destrucción de lo microrganismos o la desnaturalización de sus enzimas, sino también la de sus componentes nutricionales; sin embargo, tiene muchas ventajas entre las que citamos: a) Permite controlar de forma muy exacta, la duración y la temperatura aplicada al producto. b) Permite la destrucción de componentes anti nutricionales, presentes en el alimento; es decir, componentes del propio alimento que disminuyen la disponibilidad de algunos de sus nutrientes. II. TIPOS DE TRATAMIENTO TERMICO. Existen varios grados de conservación por calentamiento, y no todos los alimentos comerciales conservados mediante calor están estériles, entre los cuales destacan: II.1. COCINADO
Su objetivo es hacer más palatable el alimento. Puede hacerse con calor seco (temperaturas mayores a 100ºC) como en el horneado y el tostado; con calor húmedo o al vapor y mediante aceites calientes o freidura. Se considera un método de preservación pues los alimentos cocidos y no recontaminados duran mas que los crudos pues al cocinar se reducen los microorganismos y se inactivan las enzimas, se reducen además las toxinas, se aumenta la digestibilidad del alimento, y se alcanzan texturas, colores y sabores deseables. II.2. ESCALDADO 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: FIGURA: N°01. Tiempos de escaldado de vegetales antes de congelación 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.
Se usa cuando es necesario conservar el alimento durante períodos más prolongados. Recibe también el nombre de "appertización" en recuerdo al pastelero francés Appert, que fue quien primero lo utilizó. Se realiza con alimentos previamente introducidos en recipientes cerrados, que se calientan en un aparato llamado autoclave a temperaturas superiores a los 100ºC o se somete al alimento a temperaturas de 120ºC de calor húmedo y a grandes presiones. Suele disminuir la calidad del alimento en cuanto a sabor, olor y apariencia (propiedades sensoriales). Tecnología, ambiente y sociedad (Juliarena, y otros, 2000). En el caso de alimentos líquidos, se utiliza un procedimiento especial de esterilización, denominado UTH que consiste en aplicar temperaturas de 135-150ºC durante 4- segundos. II.5.1. ESTERILIZACION INDUSTRIAL Es un tratamiento térmico de alta intensidad realizado a temperatura su´periores a 100°C, que se aplica para conseguir la esterilización comercial permitiendo que el producto sea suficientemente estable como para permanecer inalterable durante un largo pe´rido de almacenamiento a temperatura ambiente. En este proceso se busca eliminar microorganismos patógenos y aquellos que ponen en riesgo la estabilidad del producto en condiciones normales de almacenamiento. Generalmente, se aplica a productos poco ácidos en los que puede desarrollarse el clostridium botulinum. Por su parte, la esterilización puede ser aplicada antes o después del envasado según las características del alimento: Esterilización antes del envasado Se aplica a alimentos líquidos, cuya viscosidad permite tranportarlos mediante el empleo de bombas. Para esto se utiliza un circuito cerrado, en la que el liquido circula sometiéndose el mismo a etapas de precalentamiento, esterilización, enfriamiento y envasado aséptico. Este tratamiento suele denominarse Ultra Alta Temperatura (UAT) y afecta poco a las propiedades organolépticas del aimento además de ahorrar tiempo, mano de obra, energía y espacio. Esterilización tras el envasado La aplicación del tratamiento térmico en los productos envasados generalmente requiere de tratamientos previos antes del cierre. En el caso de algunos productos sólidos estos se
deben escaldar o cer previamente, para luego proceder a adicionar el liquido de cobertura, cerrado hermético del envase, la esterilización y el enfriado final. III. FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DEL CALOR La forma en la que el calor es transferido en un alimento envasado, y por ende el tiempo de procesamiento necesario, depende de la naturaleza del producto y del tipo de envase. La velocidad de penetración del calor y su acción sobre los microorganismos y los constituyentes del alimento requiere un conocimiento de sus propiedades intrínsecas, así como de los factores externos capaces de producir alteraciones en su composición, los cuales son detallados en la Tabla N° 01. Tabla N° 01. Factores que afectan la penetración del calor (Holdsworth, 1997). Factores relativos al proceso Tipo y perfil de temperatura del autoclave Autoclaves estáticas: la temperatura aumenta lentamente y existe un retardo importante en el calentamiento del producto con respecto a la temperatura del autoclave. Autoclaves rotativas: el calentamiento comienza instantáneamente y este es más uniforme. Tiempo de proceso A mayor tiempo de proceso mayor penetración de calor, y la temperatura del producto tiende a alcanzar la temperatura del medio de calentamiento. Medio de Calentamiento La temperatura en la superficie del envase depende del coeficiente de transferencia de calor externo, h. El vapor tiene un alto valor de h , pero para agua o mezcla de aire con vapor este depende de la velocidad y de factores geométricos. Factores relativos al proceso Agitación del envase La agitación y rotación del envase mejoran la transferencia de calor interna, dependiendo de la velocidad con la que se realicen y del espacio de cabeza. Factores relativos al producto Consistencia La composición, la consistencia y el comportamiento reológico controlan la velocidad de penetración del calor. Temperatura inicial El proceso es muy sensible a la temperatura inicial, especialmente en productos que se calientan por conducción. Contenido microbiológico La severidad del proceso depende de la carga microbiológica inicial, el empleo de materias primas con
Alimentos de baja acidez (pH >5,3) Productos cárnicos, productos marinos, leche y ciertas hortalizas. Alimentos de acidez media (5,3>pH>4,5) Mezclas de carne y vegetales, sopas y salsas. Alimentos ácidos (4,5 >pH>3,7) Tomates, peras, higos, ananá y otras frutas. Alimentos muy ácidos (pH<3,7) Encurtidos, pomelo y jugos cítricos. IV.1. MODELADO MATEMÁTICO DE LA TERMODESTRUCCIÓN MICROBIANA. Para modelar la inactivación microbiológica, enzimática o la degradación de componentes termolábiles se emplea la ecuación general para el estudio cinético de reacciones (ecuación 1): − dC dt = k (^) n C n … … … …. ( 1 ) donde C es la concentración de la especie reaccionante al tiempo t , kn es la velocidad de reacción específica, con unidades [concentración]n-1 [tiempo]-1 y n es el orden de la reacción. La concentración de los reactantes puede ser el número de microorganismos o la concentración de algún componente nutricional del alimento. Por lo general, cuando una suspensión de microorganismos es calentada a una temperatura constante el número de microorganismos viables ( N ) disminuye siguiendo una cinética de reacción de primer grado (ecuación 2): − dN dt = kN … … …. ( 2 ) 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 0 la población inicial, en el tiempo t=0, e integrando la expresión anterior, 1n N - 1n N 0 = - kt, que también puede expresarse como,
. ………..(3)
Esta última expresión es una ecuación de una línea recta si se llama y = log N: y = y 0 + mt , para y 0 = logN y m = pendiente = − k
Gráficamente, para una temperatura T FIGURA 2 Población microbiana en el tiempo para una temperatura T, también llamada curva de inactivación o de supervivencia. Si se llama D al tiempo (min) para que la población original se reduzca a un décimo (N=N 0 /10)
n =log(
N 0
N )
=log 100 −log (^10
Ft = n Dt = F 0 = n D 0 =0.24 ( 14 )=3.30 min Para alimentos de baja acidez, la temperatura de 121.1ºC=250ºF se denomina de referencia y se denota con el subíndice cero. IV.3. 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 N son las poblaciones finales de supervivientes, el valor de D se halla según: (8) IV.4. DEPENDENCIA DE LA TEMPERATURA Y VALOR Z Figura N° 03. Reducción decimal para diferentes temperaturas.
Hasta ahora se ha considerado solamente lo que pasa a una temperatura T. si se estudia lo que sucede a otra temperatura diferente T 1 , debe primera conocerse la dependencia de la velocidad de reacción k con la temperatura: k = aEXP ( − Ea RT ) (^) , en donde, si k esta en min-1 (^) (9) a: es un factor constante (min-1^ ) Ea: es la energía de activación (Kcal/mol ó KJ/mol R: constante universal de los gases T: temperatura absoluta en K Se cumplirá entonces que ln k 1 = lna − Ea R T (^) 1 para la temperatura T^1 lnk = lna − Ea RT para la temperatura T Restando estas dos igualdades :
ln (
k (^) 1
k )
− Ea
R (^
T 1
T )
, (^) que en términos de logaritmo decimal es:
ln(
k (^) 1
k )
− Ea
2.303 R (^
T 1
T )
, (^) En función de D quedaría: ln
D
D 1 )
− Ea
2.303 R (^
T 1
T )
− Ea 2.303 R T 1 T
( T^ − T 1 )
D = D 1 10
( T 1 − T ) z (10) El incremento de temperatura T - T1 necesario para que el tiempo de reducción decimal se reduzca a la décima parte es el valor z. También z es el intervalo de temperatura que ocasiona una variación de 10 veces en la velocidad de una transformación. En los procesos de tratamiento térmico de los alimentos envasados herméticamente, se considera satisfactorio cuando la probabilidad de ocurrir microorganismos vivos capaces de que se desarrollen y, que causen deterioro en el alimento es de 1:1000 envases. De esta forma, el tiempo de tratamiento térmico irá a depender de la naturaleza química del alimento y de las condiciones de almacenamiento. Si T 1 es 121.1 ºC en esterilización ó 60ºC en pasteurización queda: t = TMT (^) 121.1 10 121.1− T z (^) = F 0 10 121.1− T z (^) en esterilización ( °C ) t = TMT (^) 250 10 250 − T z (^) = F 0 10 250 − T z (^) en esterilización ( ° F ) t = TMT (^) 60 10 60 − T z (^) = F 0 10 60 − T z (^) en pasteurización ( °C ) De allí se puede encontrar el valor equivalente de cualquier tratamiento térmico ejecutado a una temperatura diferente a las de referencia: F 0 = t [ 10 ] ( T −121.1) z (^) en esterilización ( ° C ) F 0 = t [ 10 ] ( T − 250 ) z (^) en esterilización ( ° F ) F 0 = t [ 10 ] ( T − 60 ) z (^) en pasteurización ( ° C )
Los efectos de procesos sucesivos a diferentes temperaturas son aditivos. Para considerar el efecto del proceso total se evalúan las diversas etapas, cada una en un período y temperatura determinados; los valores de F 0 de cada etapa se suman para obtener el valor total de F 0. V. LAS CURVAS DE PENETRACION DE CALOR En este proceso es importante conocer el punto del producto envasado cuya temperatura es mínima, es decir, el punto de menor calentamiento. Ya que este punto es el que recibe un menor grado térmico, y en el que puede que no se llege a realizar un tratamiento adecuado. Por ello, es necesario conocer la curva de penetración de calor en este punto, ya que da la variación de su temperatura con el tiempo de calentamiento. La determinación de la curva de penetración para un producto y envase determinados suele realizarse experimentalmente, aunque en algunos casos puede determinarse de modo aproximado mediante métodos analíticos. Estos últimos suponen que el calor penetra en el alimento por conducción, lo que sólo es cierto en alimentos sólidos, calculando la temperatura del centro geométrico en función del tiempo. Sin embargo, para productos líquidos esto no se cumple, ya que la transmisión de calor no es únicamente por conducción, debe tenerse presente su componente convectiva. Además, el punto de menor calentamiento no coincide con el centro geométrico. Cuando el envase que contiene el alimento se introduce en el dispositivo de tratamiento térmico, que se halla a una temperatura T e , se observa que la temperatura del alimento va aumentando paulatinamente. Es importante conocer la evolución de la temperatura del punto de menor calentamiento (T c ), ya que éste es el punto que recibe un menor tratamiento térmico, y debe asegurarse que la carga microbiana sea eliminada correctamente. En el caso de que la transmisión de calor se realizara por conducción, el punto de menor calentamiento coincide con el centro geométrico. Sin embargo, si en el calentamiento no se corresponde con el centro geométrico, sino que se halla situado en el eje vertical pero más cercano al fondo del envase. Para caracterizar la penetración del calor en el alimento, se suele realizar una representación gráfica de los datos de la variación de la temperatura en el alimento con el tiempo de calentamiento. Se toma como temperatura del alimento la de centro geométrico T c o T, y se observa que al representar el logaritmo de g= (T e -T) frente al tiempo de calentamiento se obtiene una función lineal. Utilizando una gráfica semilogaritmica se representa en el eje de ordenadas de lado izquierdo (T e -T), y en el eje de ordenadas de la
marcando la línea superior con un número equivalente a T e -1. El siguiente ciclo logarítmico se marca con un número equivalente a T e -10 y el tercer ciclo con un número equivalente a T e -100. Este tipo de grafico se representa en la figura 6. Cuando los alimentos envasados se colocan en el interior del dispositivo de tratamiento térmico existe un periodo de inducción antes que la temperatura del alimento empiece a aumentar. Esto hace que en las figuras 5 y 6 la curva de penetración de calor no sea lineal al inicio de la operación. A partir de la figura 6 es posible determinar la temperatura pseudoinicial T ip al prolongar la línea recta de la curva y cortar el eje de ordenadas. Con esta temperatura y las temperaturas inicial T i y la del dispositivo de tratamiento T e , se calcula jh. El valor fh se obtiene de la parte lineal de la curva de penetración del calor tomando el valor de la inversa de la pendiente de esta recta para un ciclo logarítmico en la curva de calentamiento. VI. MÉTODOS PARA DETERMINAR LA LETALIDAD A. MÉTODO GRAFICO El nivel de esterilización se expresa como el tiempo y la temperatura de tratamiento para cada tipo de producto, forma y tamaño de envase. Si el producto se trata a una temperatura fija, el tiempo de tratamiento se obtendrá directamente de la ecuación 11 tT = tR L (11) Sin embargo, la temperatura del producto varia, no solo con la posición, sino también con el tiempo. Por eso, se suele establecer que el tiempo se mida desde que se alcanza la temperatura de trabajo hasta que finaliza el calentamiento. Para una temperatura variable con el tiempo de tratamiento, es necesario integrar para obtener el grado de reducción requerido: C 0 C (¿)=∫ 0 t dt DT log¿
Para resolver el término integral debe conocerse como varia el tiempo de tratamiento o de reducción decimal, a cada temperatura, con el tiempo de calentamiento. Para lo que es necesario conocer previamente la variación de la temperatura con el tiempo (curva de
penetración). Existen diferentes métodos de resolución, sin embargo se utilizara únicamente el de la curva TDT. Para asegurar un tratamiento térmico de adecuado, el término integral de la ecuación (12) debe ser superior al grado de reducción n preestablecido para cada tipo de microorganismos y producto: ∫ 0 t (^) d t DT =∫ 0 t L DR dt ≥ n (12 a) Y como el tiempo de tratamiento o de muerte térmica a una determinada temperatura es función del de reducción decimal (FT = n DT), se obtiene: ∫ 0 t dt FT =∫ 0 t L FR dt ≥ (^1) (12 b) El valor del término integral se puede resolver gráficamente la presentar 1/tT frente al tiempo y obtener el área por debajo de la curva entre dos tiempos, de tal forma que su valor sea como mínimo 1. En el caso que se utilice el tiempo de reducción decimal, debe presentarse 1/DT frente al tiempo, debiendo ser el valor del área de la curva superior al grado de reducción n (figura 7). Para conocer los valores de los tiempos de tratamientos o de reducción decimal para cada temperatura, es necesario reducir a las ecuaciones 13 y 14. t 1 = tR 10 TR − T 1 Z
D 1 = DR 10
TR − T 1 Z
en la que FR es el tiempo a la temperatura TR equivalente a 1 minuto a 121°C (Stumbo et al., 1983). Stumbo y Longley (1966) resurgieron la incorporación de otro parámetro fh/U, y se han publicado tablas de este parámetro en función de g para diferentes valor de z. Stumbo et al., (1983). En la figura 11 se da una de ellas para el caso de z=10ºC. Para obtener estas tablas Stumbo tomo datos de envase para tener distintos valores de jh. Estas tablas suponen que la transmisión de calor es solo por conducción, y realiza suposiciones no arbitrarias acerca de la forma de los perfiles de la temperatura en la fase de enfriamiento. Este método está limitado por la fase de intervalo d jh y errores de redondeo en los cálculos numéricos. También se pueden encontrar gráficos que permiten obtener el valor de g al final del tratamiento, n los que en coordenadas semilogarítmicas se representa fh /U frente al log g, para diferentes valores de z, y en las que se obtienen diferentes curvas dependiendo del valor de j (Toledo, 1980; Teixeira 1992) El tiempo de procesado calculado por este método, suponde que cuando los envases se introducen en el dispositivo de tratamiento la temperatura del mismo es T e , esto solo ocurre en dispositivos que trabajan de forma continua. Sin embargo, en el procesado discontinuo existe un tiempo de inducción hasta que el aparato adquiere la temperatura de tratamiento. Para corregir el aporte de este tiempo de inducción a la letalidad global, Ball (1923) suponde que el 40% de este tiempo de inducción contribuye al procesado térmico, con lo que el tiempo real de procesado será: tR = B −0.4 tl (16) Siendo tl el tiempo de inducción para que en el dispositivo se alcance la temperatura de tratamiento T e. En la industria de los alimentos enlatados, esterilizados o pasteurizados, los estudios de penetración de calor se realizan resolviendo la ecuación de destrucción microbiana, en las distintas formas que puede presentarse, lo que significa determinar el efecto letal del calor en procesos de esterilización de conservas, en la actualidad existen diversos métodos de cálculo. Son de destacar: Método General (BIGELOW y ESTY, 1920); Método Fórmula (BALL y OLSON, 1957, modificado por STUMBO, 1973); Método de Teixeira (TEIXEIRA et al., 1969); Método de Herndon (HERNDON et al., 1968); Método de Flambert y Deltour
(FLAMBERT y DELTOUR, 1972); Método de Hayakawa (HAYAKAWA, 1970) y el Método de Lenz (LENZ, 1977). A continuación describiremos los métodos más importantes: VI.1. MÉTODO BIGELOW PARA EVALUACIÓN DE LA ESTERILIZACIÓN Cuando se esteriliza en una retorta o autoclave la temperatura no es constante en el tiempo sino que varía continuamente con él, la expresión en este caso para el cálculo de F 0 es: T −121. ¿ ¿ ¿ z ¿ 10 ¿ F 0 = (^) ∫ t = 0 t = t ¿ L(t) es una función del tiempo que algunos autores denominan Letalidad, otros Valor de destrucción biológica. Los valores de letalidad para el Clostridium Botulinum, y los demás microorganismos que tengan un valor de z = 10 se relacionan, para un rango común de temperaturas de esterilización, en la Tabla N 03.
