cinetica de deterioro

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGOINGENIERIA EN INDUSTRIAS ALIMENTARIASTECNOLOGIA DE ALIMENTOS I

Cinética de deterioro y predicción de vida útil en alimentos

El actual consumidor de los alimentos está informado, por tanto, busca el máximo

beneficio en cada producto, es decir, alta calidad sensorial, alto valor nutritivo, imagen

saludable, conveniencia, prolongada vida útil, mínimo proceso, mínimo de aditivos y

envasado ecológico.

El procesamiento de los alimentos somete a estos a condiciones controladas con el

objetivo de estabilizarlos, garantizar su inocuidad, durabilidad y conveniencia; lo cual se

produce incidiendo en las causas claves de los tipos biológicos, químicos y físicos.

Inevitablemente también pueden ocurrir y ocurren cambios indeseables. Así tenemos:

La degradación del color, aroma y textura. Ejemplos: el sabor a cocido de la leche

tratada por esterilización a temperatura ultra alta (UHT), la pérdida de clorofila y textura

en hortalizas enlatadas o deshidratadas, y el endurecimiento del pescado congelado.

El deterioro de propiedades funcionales de los ingredientes, tales como, la pérdida de

capacidad hidratante, la emulsificación o capacidad espumante de las proteínas

calentadas.

La pérdida del valor nutritivo y el desarrollo de compuestos potencialmente tóxicos.

Ejemplo: determinadas vitaminas son susceptibles al calor (vitamina C, tiamina, folato,

etc.), a la oxidación (vitamina C, D, E y A), o fotodegradación (rivoflavina). Además, las

proteínas, carbohidratos y lípidos pueden sufrir numerosas reacciones del deterioro ya

estudiadas anteriormente.

Reacciones similares pueden seguir ocurriendo después del procesado a una velocidad

determinada por las propiedades inherentes del alimento, tipo de envase y condiciones

del almacenamiento y distribución. Estos factores determinan la vida útil de los alimentos.

Fundamentos de la evaluación de calidad y pruebas de vida útil en alimentos

En la determinación del tiempo de vida útil de los alimentos, existen diferentes métodos.

Básicamente la manera más común y conocida de estimar este tiempo de vida en anaquel

es mediante evaluaciones experimentales, en las que se almacena al producto a las

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condiciones de almacenamiento real, y en periodos de tiempo es avaluando fisicoquímica,

microbiológica o sensorialmente, según las exigencias de calidad del producto. Pero este

método es empírico y no tiene fundamento teórico ni científico, por tanto, el análisis de la

calidad del producto alimenticio se puede ver limitada.

Las pruebas aceleradas son un método de determinación del tiempo de vida útil de los

alimentos, sometiendo a dicho producto a condiciones de almacenamiento o ambientales

extremas. Como su nombre lo dice, la finalidad de estas pruebas son las de acelerar las

reacciones del deterioro en un alimento, mediante un acondicionamiento extremo de los

factores del deterioro, y posteriormente haciendo uso de principios teóricos-científicos,

estimar el tiempo de deterioro y vida de anaquel de los alimentos en las condiciones

reales de almacenamiento.

Entonces a pesar de la complejidad de los sistemas alimenticios, el estudio sistemático de

los mecanismos degradativos puede aportar métodos satisfactorios para determinar la

vida útil. La cinética de las reacciones químicas: explica cuantitativamente (de manera

simplificada) el proceso de deterioro. Estudia la velocidad de deterioro de un alimento

mediante la cuantificación de la degradación de un factor crítico para la calidad.

La calidad de un alimento: son el conjunto de propiedades o características que influyen

en su aceptación por el consumidor y que la diferencian de otros.

La pérdida de calidad depende de factores extrínsecos del entorno (E j) o intrínsecos (Ii);

del alimento.

Ii: aw, enzimas, vitaminas, población microbiana, etc.Ej: ambientales: Temperatura, %HR, presión parcial de gases, radiaciones.

disminución de la calidad con el tiempo

Signo (-): degradación de un componente o atributo deseable.Signo (+): formación de un componente o atributo indeseable.

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Varias reacciones químicas de deterioro se realizan al mismo tiempo. La reducción de la

calidad puede representarse por una pérdida cuantificable de un atributo de calidad

deseable A (Ejemplo: un nutriente o aroma característico) o por la formación de un

atributo indeseable B (Ejemplo: pérdida de aroma o vitaminas). Las velocidades del

deterioro en la calidad de un alimento, por la pérdida de A o la formación de B, se

expresan en la siguiente ecuación.

La expresión general de la pérdida del componente A con respecto al tiempo es:

k: constante de la velocidad de reacción (1/tiempo)n: orden de la reacción aparenteA: medida física del factor o atributo, químico, microbiológico o sensorialt: tiempo de evaluación del factor o atributo de calidad

Esta ecuación puede integrase en la expresión:

F(A) = kt

Es decir, A con la modificación adecuada, puede expresarse en función lineal del tiempo t.

El término F(A) se llama función de calidad del alimento y se expresa en diferentes

órdenes de reacción aparentes.

Reacciones de deterioro de orden cero (n=0)

Ecuación característica: a T=cte; Aw=cte.

La velocidad de la pérdida de A con respecto al tiempo es constante. Reordenando e integrando:

Aplicaciones:

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Degradación enzimática (frutas y hortalizas frescas, alimentos congelados, pastas

refrigeradas).

Reacciones químicas de pardeamiento no enzimático y reacción de Maillard en:

cereales secos, productos lácteos deshidratados, alimentos para mascotas secos,

pérdida de valor proteico.

Reacciones de rancidez (aceites y productos grasos).

Explica la pérdida de vida en anaquel o tiempo de vida útil (shelf life), a T=cte y Aw= cte.

Reacciones de deterioro de primer orden (n = 1)

Ecuación característica: a T=cte; Aw=cte. Reordenando e integrando:

Aplicaciones:

Crecimiento microbiano e inactivación.

Producción microbiana de sabores indeseables y limo (carnes).

Pérdida de vitaminas, pérdida oxidativa del color y pérdida de calidad proteica y otros

nutrientes (alimentos envasados y deshidratados).

Inactivación de enzimas y pérdida de atributos sensoriales por tratamiento térmico.

Reacciones de deterioro de segundo orden (n = 2)

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Ecuación característica: a T=cte; Aw=cte. Reordenando e integrando:

Por lo tanto, basándose en unas pocas medidas puede definirse e orden de reacción

aparente, mediante la representación gráfica que brinde el mejor ajuste lineal,

determinándose así los componentes de la ecuación que introduce el término función de

calidad. Entonces puede extrapolarse el tiempo de vida útil cuando se haya alcanzado el

valor del atributo a un nivel crítico o final, Ac (rechazo por parte del consumidor o nivel

fijado por parte de una norma técnica).

Resumen de funciones de calidad para evaluar el deterioro en alimentos

(n)Orden de Reacción

A=f(t)Ecuación para A

B = f(t)Ec. Para B

0 A = A0 - kt B = B0 + kt 1 LnA = LnA0 – kt LnB = LnB0 + kt2 1/A = 1/A0 + kt 1/B = 1/B0 - kt

n ≠ 1 (general) 1/An-1=1/A0n-1+(n-1)kt 1/Bn-1=1/B0

n-1+(n-1)kt

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Concepto de vida útil (tu) y vida media (t1/2)

Al término de la vida útil se tendrá un tiempo estimado (tu) que corresponde a una calidad final Af o calidad crítica Ac.

El tiempo de vida media (t1/2) corresponde a una calidad final o crítica igual a la mitad de la calidad inicial (A0/2).

A) Orden Cero (n=0)

En: A = A0 – kt, si t = tu, y A = Ac

Entonces: tu = (A0 – Ac)/k

Tiempo de vida media (t1/2): tu = t1/2 y Ac =A0/2

B) Orden Uno o primer orden (n=1)

LnA = LnA0 – kt

tu = (LnA0 – LnAc)/k

t1/2 = (LnA0 - LnA0/2)/k = Ln[A0/(A0/2)]/k

t1/2 = Ln2/k = 0.693/k

C) Segundo orden (n=2)

t1/2 = 1/kA0 t, tu, t1/2 son proporcionales a 1/k

Retención (Rt) y porcentaje de retención (%Rt) de un factor de calidad A

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Definición:

Rt= A/A0, es la retención de un factor o remanente

%Rt:= A/A0 x 100, en el porcentaje de retención (%).

Al inicio: t = 0; A = A0

Por lo tanto: Rt = A0/A0 = 1 y %Rt = A0/A0 x 100 =100%

A) Orden cero (n=0)

A = A0 – kt

y

B) Orden uno o primer orden (n=1)

LnA = LnA0 – kt, ó también A = A0 e-kt

C) Segundo orden (n=2)

Influencia de la temperatura en las reacciones (cinética) del deterioro y la predicción de vida útil en alimentos

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Las ecuaciones de la cinética de la vida útil son específicas para el alimento estudiado y

las condiciones ambientales empleadas. De los factores extrínsecos o no

composicionales que afectan las reacciones del deterioro, tales como la temperatura,

humedad relativa, presión parcial de los gases de envasado, luz y fuerzas mecánicas; el

único normalmente incorporado al modelo de vida útil es la temperatura. Esta afecta

intensamente a las velocidades de reacción y es el único factor entre los mencionados

que no es afectado por el tipo de material de envasado del alimento.

La mayoría de bibliografía sobre fisicoquímica trata sobre los fundamentos del

procesamiento por la ecuación de Arrhenius que interrelaciona la temperatura y las

velocidades de las reacciones del deterioro en los alimentos, k = f(T) = f(Tabs).

A) Ecuación de Arrhenius

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k0: constante pre-exponencial o constante de Arrhenius (1/s)Ea: energía de activación (J/mol ó Cal/mol)Nota: Ea, es el exceso de barrera energética que el atributo o factor de calidad A tiene que sobrepasar para la formación de productos de degradación (o para la formación de B).R: constante de los gases ideales (8.314 J/mol.K ó 1.987 Cal/mol.K)T: temperatura absoluta (K)k : constante de velocidad de reacción para cada temperatura (1/s)

En términos prácticos esto significa que si los valores de k se obtienen a diferentes

temperaturas y el ln k se representa gráficamente frente a la inversa de la temperatura

absoluta (1/T), se obtiene una línea recta con una pendiente de –Ea/R. El principal valor

de la ecuación de Arrhenius es que pueden obtenerse datos a elevadas temperaturas

(bajos 1/T) y a continuación extrapolar para determinar la constante de velocidad (k) a una

temperatura más baja o real de almacenamiento.

Linealizando:

Si pendiente (P) conocida:P = Ea/REa = P.R

Experimental: R2 mayor (ideal = 1, se acepta valor > 0.85)

Existen diversos factores que pueden causar desviaciones del comportamiento de

Arrhenius, pero basándose en los diversos experimentos de vida útil a temperatura

cosntante, la pérdida del atributo de calidad puede predecirse con bastante exactitud para

cualquier exposición de temperatura variable.

B) Concepto Q10

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La dependencia de la temperatura frecuentemente se expresa como el Q10, la relación de

las constantes de velocidad de reacción aparente a temperaturas que difieren 10 °C, o el

cambio de vida útil cuando la temperatura del alimento se eleva 10 °C.

velocidad de reacción a T + 10ºC velocidad de reacción a TºC

o también:

tiempo de vida útil a TºC tiempo de vida útil a TºC + 10ºC

Es decir:

Usando la ecuación de Arrhenius

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Q10 =

Q10 =

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