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ESTERILIZACIÓN DE ALIMENTOS

ASPECTOS ESENCIALES DEL PROCESO DE ESTERILIZACIÓN

DISEÑO Y CÁLCULO DEL PROCESO DE ESTERILIZACIÓN

EQUIPAMIENTO

ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE LA CALIDAD

Autores: Ing. Martín Piña, Lic. Marta Gozzi, Lic. Cecilia Santín Universidad Argentina de la Empresa

Materia: Tecnologías de Conservación de Alimentos


1809 Nicolás Apert: Desarrolla un método para mantener el alimento estable durante la guerra,

sin saber nada sobre microbiología.

La esterilización comercial

Historia y definición

ES

Un proceso de tratamiento térmico de un alimento para que no contenga microorganismos

patógenos ni otros microorganismos o enzimas que puedan deteriorarlo durante las

condiciones normales de almacenamiento en un recipiente

hermético.

NO ES

Procesar un alimento hasta que alcance la ausencia total de

microorganismos.

Proceso Finalidad

Esterilización Pasteurización

Inactivación de microorganismos. Mecanismo de acción: destrucción por calor de: @ DNA @ Enzimas específicas @ Membrana citoplasmática @ RNA y Ribosomas

Escaldado Inactivación de enzimas, reducción de la carga inicial: Tratamiento subletal.

Concentración Deshidratación

Eliminación de agua: aumentos de la velocidad de transferencia de masa por calor: Tratamiento subletal.

Los tratamientos subletales favorecen los mecanismos de resistencia a la acción térmica.


Tratamientos térmicos de alimentos

Se envasa el producto y el recipiente sellado es tratado con

vapor a presión.

Antes de envasar: Envasado aséptico

Después de envasar

Se utiliza para líquidos y consiste en tratar térmicamente el

producto a alta temperatura y envasarlo asépticamente en un

recipiente estéril.


Tipos de tratamientos térmicos

Alimentos enlatados y mecanismos de transferencia de calor.

Calentamiento por conducción

Calentamiento por convección

Calentamiento mixto

-Vegetales sin líquido -Puré de vegetales -Crema de choclo -Jaleas -Carnes con poca salsa -Sopas crema -Pescados -Carnes -Alimentos para bebés -Alimentos para perros

-Frutas con almíbar en pedazos chicos -Vegetales en salmuera -Carnes y pescados en salmuera -Jugos de frutas y vegetales -Salsas -Sopas y caldos livianos -Leche -Granos de maíz enteros en salmuera

-Vegetales envasados en forma apretada con 10% de líquido -Purés de vegetales -Frutas en pedazos grandes Cambio de mecanismo durante el tratamiento: Convección – Conducción -Productos amiláceos: comienza como convección, se gelatiniza el almidón y se transforma en mecanismo conductivo. Cambio de mecanismo durante tratamiento: Conducción – Convección -Productos con sólidos que se sedimentan.


Tipos de tratamientos térmicos


Tipos de alimentos y sus microorganismos

Alimentos pH Ejemplos Tratamiento Motivo

Poco ácidos

4,5 < pH < 7,5 Carne, lácteos,

hortalizas 250 ºF

- Tratamiento térmico relativamente severo. - A pH mayores de 4,5 desarrolla C. botulinum. - También hay esporas de bacterias termofílicas, pero no desarrollan a las temperaturas normales de almacenamiento.




Ácidos 3,7 < pH < 4,5

Durazno, peras,

naranjas, tomates

212 ºF

- Pueden presentar bacterias acidúricas de baja resistencia térmica, y otras bacterias, levaduras y hongos. - C. botulinum no puede desarrollar. - Unos pocos m.o. mesófilos, anaerobios y esporulados pueden desarrollar, pero tienen baja resistencia térmica.




Muy ácidos

pH < 3,7 Encurtidos,

fermentados, mermeladas

150 ºF

- Pueden ser atacados por bacterias acidúricas, levaduras y hongos, pero generalmente tienen baja resistencia al calor. - Los hongos pueden consumir ácido durante el almacenamiento, aumentando el pH y creando condiciones para el desarrollo de esporas de C. botulinum.

¿Qué se pretende con la esterilización?

Eliminar microorganismos

¿Qué debo conocer entonces?

Resistencia térmica de los microorganismos presentes en los alimentos.


Resistencia térmica de los microorganismos

M E T O D O S

Tubos de tiempo de muerte térmica: se usan pequeños tubos de pyrex sellados que se calientan en un baño o autoclave especial. Luego se cultivan y se observa el desarrollo, por ejemplo, por cambio de pH o recuento. Es un método simple, adecuado para medios líquidos. Latas de TDT: se utilizan en forma similar a los tubos pero son para materiales sólidos. Tanques y recipientes de vidrio: Tanques: el producto líquido se coloca en un tanque calefaccionado con vapor del que, a intervalos de tiempo regulares, se extraen muestras que luego se incuban. Recipientes de vidrio: Se utilizan frascos sumergidos en un baño calefactor, provistos de agitador, termómetro y tubo para inoculación y toma de muestras.

El procesamiento térmico y los valores de

resistencia de los microorganismos están en

función de:

@ La naturaleza del alimento (pH).

@ La resistencia al calor de los Mo (esporas, células vegetativas).

@ La carga inicial de Mo (cinética de primer orden).

@ Los parámetros de transferencia de calor (medio de calentamiento, envase, tipo de alimento).


Resistencia térmica de los microorganismos

Graficando el número de células en función del tiempo de

proceso a una dada temperatura se obtiene:

Graficando el número de células en función del tiempo de

proceso a distintas temperaturas se obtiene:


Curva de supervivencia

T5

T4

T3

T2 T1

Cálculo del tiempo de reducción decimal a una dada temperatura

Influencia de la temperatura sobre el tiempo de reducción

decimal

Tiempo de Reducción decimal: tiempo necesario a una dada

temperatura para reducir la población microbiana desde un valor inicial

hasta un valor final 1 ciclo logarítmico menor

Temperatura

TMT

10 (TMT1)

T1

1 (TMT2)

T2

Pendiente: -1/z


Curva de Tiempo de Muerte Térmica (TMT)

D D D

T5

T4

T3 T2 T1

Temperatura

D

1

T1

0,1

T2

Pendiente: -1/z

La Curva Fantasma se independiza del número inicial de microorganismos reduciendo la indeterminación experimental.

A menor población inicial, menor tiempo de calentamiento necesario para lograr una dada concentración final de microorganismos. La curva

de supervivencia nunca alcanza la población 0.


Curva Fantasma

Constante de resistencia térmica (z):

Se define como el incremento de temperatura para causar un 90% de

destrucción en el tiempo de reducción decimal (D).


Constante de Resistencia Térmica (z)

Letalidad de un proceso

En el procesamiento se utiliza un valor F, que es el tiempo necesario

para destruir una carga dada de microorganismos a una dada

temperatura.

Nomenclatura

F = F (T, microorganismo) FT z

Ejemplo: F250 18 = indica el tiempo de muerte térmica de un microorganismo

que en ese medio tiene un z de 18 °F y a la T=250 °F


Letalidad de un Proceso

Cantidad de microorganismos por envase Supongamos No=108 esporas/mL

Tiempo de calentamiento= 10D (10 reducciones decimales) Nfinal=108x10-10=10-2esporas/mL = 1 espora cada 100 latas

será positiva.

Para Clostridium botulinum el valor F que se adopta es de 12D. Significa que se acepta una supervivencia de una

espora en 1012, (por seguir una ley logarítmica en teoría no se pueden eliminar totalmente).

Para los anaerobios esporulados no patógenos, se adopta un valor F de 5D.


Microorganismos por envase

Temperatura

TMT

Variación de carga inicial – creciente =

rectas de igual pendiente

Temperatura

TMT

NO2-

Variación del medio de calentamiento =

variación de la pendiente

NO2-

> Efectividad a < temperatura

Clasificación de los factores que afectan la resistencia térmica

Factores inherentes: Naturaleza del Mo, termófilo, mesófilo, esporulado, forma

vegetativa, etc.

Factores Ambientales: Que actúan durante el crecimiento y formación de las células y/o esporas o el calentamiento de las mismas.


Factores que influyen en la curva de Tiempo de Muerte Térmica

Factores que causan desviaciones del orden logarítmico

Nro Mo

Tiempo

Germinación de Esporas = calentamiento a Temp. cte

Nro Mo

tiempo

Mesófilo

Termófilo

Flora mixta = calentamiento a Temp. cte

Nro Mo

tiempo

Agregación = calentamiento a Temp. cte

Nro Mo

tiempo

Floculación en alimentos muy viscosos = calentamiento a Temp. cte

Los sólidos arrastran a los Mo hacia el fondo


Consideraciones sobre la naturaleza semilogarítmica de la curva de supervivencia

Factores que causan desviaciones del orden logarítmico

Datos de una curva verdadera

Nota: el microorganismo que se utiliza para el trabajo experimental de determinación de las curvas vistas es el C. sporogenes (P. A 3679). Este microorganismo produce gran cantidad de gas y su

D250=0,5 – 1,5. Al ser superior al del C. botulinum los ensayos dan seguridad de que si se elimina el C. sporogenes con los procesos

calculados, se eliminará el C. botulinum.


Consideraciones sobre la naturaleza semilogarítmica de la curva de supervivencia

Células vegetativas (Z aproximado 5 °C)

D (minutos)

Salmonella spp D65 = 0,02 - 0,25

Staphylococcus aureus D65 = 0,2 – 2

E. Coli D65 = 0,1

Hongos y levaduras D65 = 0,5 – 3

Listeria monocytogenes D60 = 5 - 8,3

Campylobacter jejuni D55 = 1,1

Esporulados (Z aproximado 10 °C)

D121 (minutos)

B. Stearothermophilus 4 – 5

C. Thermosaccharolyticum 3 – 4

Desulfotomaculum nigrificans 2 – 3

B. Coagulans 0,1

C. Botulinum tipos A y B 0,1 - 0,2

C. Sporogenes 0,1 - 1,5

C. Botulinum tipo E D80 = 0,1 – 3 / D110<1 segundo


Algunos datos de resistencia térmica de microorganismos


Resistencia térmica de los microorganismos (D y Z)

Evolución de la temperatura dentro del alimento

Curva de penetración de calor

Determinación de la curva de

penetración de calor

Parámetros necesarios

T en el alimento = f (posición, tiempo)

Envasado aséptico Esterilización en el envase (latas, frascos de vidrio,

envases flexibles, bandejas rígidas).

T (°F)

Tiempo (min)

140

180

220

260

300

0 50 20 30 40 10

Holding time

Curva de penetración de calor para el

esterilizado fuera del container

Tr=300°F

Curva de penetración de calor para el

esterilizado en el container Tr=248°F

Curvas de penetración de calor


Temperatura del alimento = función de:

• Coeficiente externo de transferencia de calor. • Propiedades físicas del alimento y del envase. • ΔT entre el medio de calentamiento y el alimento. • Tamaño y forma del envase.

1/h1

1/h2

l/k

h1 >>> l <<< 1/h2 es la resistencia controlante

Conducción Convección

Termocu

pla

Termocu

pla

Esterilización en el envase


Parámetros de diseño

Cinética de inactivación térmica de un microorganismo de

referencia.

Métodos de diseño y cálculo

Método General

Diseño del proceso térmico de esterilización y/o pasteurización

Perfil de temperatura en el alimento durante el proceso

(curva de penetración de calor) (parámetros de transferencia de calor del medio de calentamiento

del alimento).

Método de la Fórmula o de Ball Método de Stumbo


Es esencialmente una integración gráfica de los efectos letales de las distintas combinaciones de temperatura y tiempo existentes en el punto

crítico del producto durante la esterilización. Estos efectos son asimilados al efecto letal causado por un proceso hipotético equivalente llevado a cabo a

una temperatura de referencia.

Un proceso que tenga una letalidad F minutos a la temperatura de referencia destruirá a un microorganismo que tenga un tiempo de muerte

térmica de F minutos a la temperatura de proceso.

versus

Letalidad del proceso Letalidad requerida

Proceso Curva de Supervivencia

Métodos de Diseño: Método General - Definición


Proceso equivalente: dos procesos son equivalentes con respecto a un dado microorganismo cuando son igualmente efectivos en referencia a la destrucción por calor de ese microorganismo.

Letalidad del proceso F: tiempo en minutos de un proceso equivalente llevado a cabo a la temperatura de referencia.

250 °F para alimentos de baja acidez 212 °F para alimentos ácidos

En este proceso equivalente el contenido alcanza instantáneamente la temperatura de referencia y se mantiene a esa temperatura durante todo el proceso.

Métodos de Diseño: Método General - Definición


Tiempo (min.)

Δt Temperatura °F

0-5 5 216

5-10 5 226

10-12 2 232

12-15 3 238

15-20 5 242

20-25 5 234

25-30 5 222

Métodos de Diseño: Método General - Ejemplo


Δt Temperatura °F

L Δt x L Letalidad acumulada

F=ΣLxΔt

5 216 0,0129 0,064 0,064

5 226 0,0464 0,232 0,296

2 232 0,1 0,2 0,496

3 238 0,2154 0,647 1,143

5 242 0,3594 1,798 2,941

5 234 0,1292 0,646 3,587

5 222 0,0278 0,139 3,726

La letalidad acumulada del proceso fue de 3,726 minutos

Métodos de Diseño: Método General - Ejemplo


Métodos de Diseño: Método General – Ventajas y Desventajas

Ventajas Desventajas

Versatilidad dado que es aplicable a cualquier tipo de situación del procesado térmico.

No permite comparar la efectividad de varios procesos que involucren distintas combinaciones de tamaño de lata, temperatura de autoclave y temperaturas iniciales, a menos que se determinen las curvas de penetración de calor para cada caso específico.

Resultado exacto del valor de letalidad del proceso, incluyendo el período de calentamiento hasta la temperatura de proceso y el enfriamiento.

No realiza suposiciones sobre la curva de penetración de calor.


El método de Ball o método de la fórmula para el cálculo del tiempo de proceso a una dada temperatura de autoclave está basado en la ecuación matemática de la parte lineal de la curva de penetración de calor graficada

en papel semilogarítmico con escala invertida.

Jh=factor de retardo del calentamiento (Tr-Tpih/Tr-Ti).

Métodos de Diseño: Método de Ball - Definición

B = tiempo de proceso en minutos, cuando no se requiere ningún tiempo adicional para que el autoclave alcance la temperatura de proceso.

fh=tiempo, en minutos, requerido para que la parte lineal de la curva de penetración de calor en escala semilogarítmica pase por un ciclo log.

I=diferencia de temperatura entre la temperatura del autoclave y la temperatura inicial del producto (Tr-Ti).

g =diferencia de temperatura entre la temperatura del autoclave y la máxima temperatura alcanzada por el producto en el centro del envase.


Con excepción de g todos los demás parámetros pueden ser obtenidos de la curva de penetración de calor.

Dado que el tiempo de proceso no se conoce, el punto final de la curva de penetración de calor no puede ser especificado pero debe depender del grado de inactivación microbiana requerido.

El valor de g puede ser determinado de forma simple utilizando tablas o gráficos que relacionan el valor de g con la relación fh/U para un dado valor de Z del microorganismo en base al cual se diseña el proceso.

U es el tiempo requerido a la temperatura de autoclave para alcanzar el mismo nivel de inactivación microbiana que el requerido por un proceso a la temperatura de referencia utilizada para la determinación del valor de D (usualmente 250°F para alimentos de baja acidez).

Métodos de Diseño: Método de Ball - Definición


Mientras que en el método de Ball se considera un valor dado para el retardo del enfriamiento establecido por el jc=1,41 (Tpic-Ta/Tic-Ta), en el método de Stumbo, se calculan los valores de g en base a distintos valores de jc.

La porción de la curva de penetración de calor para la etapa de enfriamiento se grafica en papel semilogarítmico sin invertir la escala. Cada ciclo logarítmico representa una disminución de 10 veces de la temperatura del autoclave.

Métodos de Diseño: Método de Stumbo


@ Una vez conocida la curva de penetración de calor de un producto dado, se pueden utilizar los datos para hacer cálculos de proceso ante cambios de envase.

@ Existen tablas que permiten obtener el fh de la curva de penetración de calor para distintos tamaños de latas.

@ No se requiere hacer una nueva curva de penetración de calor ante cada cambio.

Métodos de Diseño: Ventajas del Método de Ball y de Stumbo



Existen infinitas combinaciones tiempo-temperatura que pueden producir la misma esterilidad comercial. Sin embargo el objetivo del proceso térmico no es sólo obtener un producto comercialmente estéril, sino que se debe lograr la máxima retención de nutrientes y de las características organolépticas del alimento.

En base a la cinética de degradación (Ea, k, D, z) de los distintos nutrientes y factores de calidad se puede concluir:

• Los valores de z para la destrucción de nutrientes y de otros factores organolépticos son mayores que para los Mo, o sea que un incremento en la T causará un aumento mayor en la velocidad de destrucción de los microorganismos y una menor pérdida de calidad organoléptica y nutritiva. • En base a esto se diseñan los procesos HTST, los cuales conducen a un producto de mejor calidad. • Los valores D para varios nutrientes y factores de calidad son mucho más dependientes de las condiciones del medio que los valores de z. • Los valores D de los nutrientes y factores de calidad son generalmente entre 100 y 1000 veces mayores que para los Mo. Este hecho permite la esterilización por calor sin que haya una total destrucción de la calidad del alimento.

Retención de nutrientes


Para optimizar el proceso de esterilización se debe tener en cuenta el mecanismo que gobierna la transferencia de calor en el procesamiento:

Optimización del proceso

Productos que se calientan por convección

Los procesos HTST son los que dan la máxima retención de nutrientes.

Productos que se calientan por conducción

Cada punto del recipiente recibe un proceso térmico diferente, y el diseño está basado en el punto

crítico. No es simple la determinación del contenido final de

nutrientes.

EQUIPAMIENTO

Envasado aséptico

Planta UHT con inyección de vapor e intercambiadores a placa. Envasado aséptico

Dairy Processing Handbook. Tetra Pack Processing System AB, Sweden, printed 1995. Capítulo 9

EQUIPAMIENTO

Autoclaves

Esterilizador vertical


EQUIPAMIENTO

Autoclaves


Esterilizador horizontal

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