LETALIDAD Y TIEMPO DE PROCESO

Jose David Cárdenas N., Mónica Vizcaíno W.

Escuela de Ingeniería de Alimentos. Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali, Colombia

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RESUMEN

El calor se usa ampliamente para controlar las poblaciones microbianas, por lo que es esencial tener

medidas precisas para determinar su eficiencia. El tiempo térmico letal se refiere al periodo de tiempo más

corto en que muere al totalidad de bacterias (Rodríguez et al, 2006). El objetivo de la práctica consintió en

obtener los perfiles de temperatura y calcular los valores de letalidad y tiempo de proceso para la

esterilización de una lata de atún en agua marca Isabel. En ella se introdujo dos termocuplas, una ubicada

en el centro geométrico y otra en la mitad del radio de la lata, posteriormente se introdujo en un

escaldador hasta obtener el mismo valor de temperatura en ambas partes del producto, registrando la

variación en él cada minuto. Inmediatamente alcanzada la temperatura de equilibrio se extrajo el producto

del escaldador y se introdujo en un recipiente con hielo y agua disminuyendo su temperatura hasta obtener

el equilibrio en el alimento, de igual manera se registró la temperatura cada minuto. Finalmente se

concluye que el efecto letal implica una relación inversa entre la temperatura del proceso y el tiempo,

obteniendo un valor de 4,25 min para una temperatura de 234°F.

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INTRODUCCIÓN

Uno de los principales problemas en la

industria de alimentos es la destrucción de los

microorganismos presentes en los alimentos, no

solo para prevenir su potencial contaminante,

sino también con el objetivo primordial de

preservar los alimentos durante períodos de

tiempo lo más largo posible (Ibarz, 2005), aunque

el objetivo principal es la destrucción de estos

microorganismos, también se desea destruir

enzimas, que son al mismo tiempo causantes de

alteraciones no deseadas en el producto (Mafart,

1997).

El procesado térmico de productos envasados

se realiza en aparatos que utilizan vapor de agua

o agua caliente como fluido calefactor (Ibarz,

2005) como el escaldado, el cual es un

tratamiento térmico a 95-100°C que dura varios

minutos y tiene como finalidad destruir enzimas y

microorganismos susceptibles de alterar ciertas

características en los alimentos (Mafart, 1997). El

calor se usa ampliamente para controlar las

poblaciones microbianas, por lo que es esencial

tener medidas precisas para determinar su

eficiencia.

Según el ámbito de aplicación, se emplean

diversas escalas arbitrarias para cuantificar los

tratamientos térmicos (Mafart, 1997). Para la

esterilización de alimentos la unidad adoptada es:

Temperatura: 121.1°C = 250°F

El tiempo térmico letal, F0, se refiere al

periodo de tiempo más corto en que muere la

totalidad de bacterias de una suspensión,

sometida a una determinada temperatura y bajo

condiciones específicas (Rodríguez et al, 2006).

El valor de F0 corresponde al tiempo de

muerte térmica del microorganismo patógeno

que se vaya a eliminar según el proceso. (Orrego,

2003).

Para el cálculo de F0, se emplea un parámetro

de termoresistencia característico de cada

microorganismo denotado z. Cuando el pH del

alimento es superior a 4.5 es un medio ideal para

el crecimiento del C. Botulinum (Instituto

Interamericano de Ciencias agrícolas, 1980),

como es en el caso del atún cuyo pH oscila entre

5.2 a 6.1 (Bolaños et al, 2002). Debido a lo

anterior, la eliminación de éste microorganismo

es tomado como referencia para determinar la

correcta aplicación del proceso térmico. El valor

de termoresistencia reportado para éste

microorganismo es z = 10°C = 50°F (Orrego, 2003)

Para el cálculo F0 se emplea el valor velocidad

letal, asociado a la temperatura, éste se

representa como:

(1)

Donde

T [°F]: Temperatura del tratamiento

T*[°F]: Temperatura de referencia del tratamiento

z [min]: parámetro de termo resistencia de

característico de cada microorganismo.

Derivado de la ecuación 1 a partir de un

proceso de esterilización y tomando como

referencia el C. Botulinum como microorganismo

de interés se obtiene una expresión para la

velocidad letal como se muestra:

Para la determinación de F0 se han

determinado varias metodologías para su cálculo.

Método Bigelow

Cuando la temperatura no es constante en el

tiempo si no que varía continuamente se emplea

la ecuación 2 para el cálculo del valor del tiempo

letal:

(2)

Por lo general, las esporas de C. Botulinum son

destruidas a un ritmo de un ciclo log cada 0,2

minutos en una solución amortiguadora de

fosfato 250°F. Asimismo, se ha observado que a

otras temperaturas, el tiempo de procesamiento

puede ajustarse a un tiempo equivalente a 250°F

con la siguiente ecuación (Sharma, 2003):

(3)

Donde

FT [min]: tiempo de procesamiento

El 50 corresponde al valor de z (min) para el C.

botulinum.

Método trapezoidal

En éste método, el área bajo la curva puede

ser aproximada por una serie de paralelogramos,

el área de cada paralelogramo se calcula con la

altura promedio multiplicada por la anchura:

(4)

El área bajo la curva es la suma de todos los

paralelogramos:

(5)

Regla de Simpson

La regla de Simpson requiere que haya un

número par de intervalos o un número non de

velocidades letales. Utiliza la ecuación:

(6)

Método de Patashnik

Éste método hace posible detener el proceso

cuando se alcanza la F0 deseada. Utiliza la

ecuación:

(7)

Tiempo de proceso

Para la determinación del tiempo de proceso, se

emplean las fórmulas

8, 9, 10 y 11 y las tablas de Heisler las cuales

relacionan la transferencia de calor de un

producto, para diferentes dimensiones en estado

estacionario.

,

(8)

(9)

(10)

(11)

OBJETIVOS

Obtener los perfiles típicos de temperatura en

la marmita y en el producto durante el

proceso de pasteurización.

Determinar la letalidad (F0) durante el proceso

y al final de éste.

Evaluar el efecto del tipo de alimento en el

valor de la letalidad.

Calcular el tiempo de procesamiento para

diferentes valores de F0.

Comparar los diferentes métodos para el

cálculo de la letalidad y el tiempo de

procesamiento.

METODOLOGÍA

En la práctica realizada se empleó, para la

determinación del tiempo de letalidad, una lata

de atún en agua, en la cual se introdujo dos

termopares, una en el centro y la otra en la mitad

del radio de la lata, ambas en el centro vertical

del alimento. El producto se llevó a un escaldador

a una presión de 10 psi hasta alcanzar la misma

temperatura en ambas partes del alimento. Se

registró la variación de temperatura cada minuto

hasta que el producto alcanzó un valor de 234°F.

Posteriormente el producto se enfrió,

introduciéndolo en un recipiente con hielo y

agua, de igual manera se registró la temperatura

del alimento hasta alcanzar un valor de 36°F.

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Se considera que la transferencia de calor al

interior de la lata es homogénea, dadas que las

características del atún en agua se suponen

homogéneas.

Los datos obtenidos en la práctica se observan

en la figura 1, los valores de temperatura

obtenidos durante los primeros 15 minutos

corresponden al proceso de escaldado y el

tiempo restante al enfriamiento del producto.

Figura 1. Gráfica de Temperatura en función del tiempo.

La figura 1 muestra el perfil típico de

temperatura en la lata de atún durante el

proceso de esterilización en las dos posiciones

registradas, en ella se observa que el perfil de

temperatura más bajo fue para el centro del

alimento, lo cual comprueba que la temperatura

en el centro térmico es siempre menor. Por

tanto, es aquí donde se demora más en

calentarse el alimento lo que hace que dicha

temperatura sea de gran importancia, pues al

conocer su evolución en el centro del producto se

puede evaluar el tratamiento térmico aplicado.

Sin embargo, se debe tener en cuenta que si el

tratamiento térmico es excesivo, el alimento

pierde valor nutritivo, debido a la disminución de

su contenido vitamínico y puede adquirir

características sensoriales indeseables, tales

como aroma y sabor a quemado, además del

consiguiente deterioro de proteínas y

carbohidratos.

En la literatura ya ha sido reportado que la

medición con termopares origina distorsión en

los perfiles de temperatura, ya que ésta técnica

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60

T (°

F)

t (min)

Centro

r/2

implica hacer orificios en las latas para colocar los

termopares y éstos restringen el libre

movimiento del líquido, lo que origina una

variación en las lecturas de las temperaturas, ya

que en el proceso real de esterilización las latas

se encuentran totalmente cerradas (Zhang, 2002)

También sugieren algunos autores, que la

distorsión se origina por la pérdida de calor en la

superficie del recipiente debido a la presencia de

los termopares, los cuales proporcionan un área

de transferencia de calor adicional, ya que tienen

el mismo efecto que una aleta de enfriamiento

en un intercambiador de calor (Jimenez et al,

2005)

Cálculo de Letalidad

La temperatura del medio de enfriamiento no

es constante porque a medida que el tiempo

transcurre va ganando calor desprendido por el

producto, para mejorar éste proceso debería

mantenerse con agitación constante y adición de

hielo permanente, sin embargo, para efectos de

cálculo en ésta práctica se desprecia el error.

Como la temperatura varía de manera

continua no se puede calcular una sola velocidad

letal para el proceso, por ello, para calcular la

letalidad F0 se hace uso de los datos de

temperatura en el centro de la lata.

Método Bigelow

A partir de la ecuación 2 se obtuvo un valor de

Método trapezoidal

Por medio las ecuación 5 se calculo F0 para el

método trapezoidal, obteniendo un valor de

Regla de Simpson

El valor de F0 obtenido por medio de la ecuación 6

fue

Método de Patashnik

Por medio de la ecuación 7 se cálculo F0

obteniendo un valor de

Tabla 1. Resumen de resultados para F0

Método Valor de F0 (min)

Bigelow 4,27

Trapezoidal 4,27

Simpson 4,20

Patashnik 4,27

El método trapezoidal aproxima la curva de

velocidad letal con una serie de líneas rectas. Ya

que la curva es continua, esto introduce un ligero

error en la integral. Una integral más exacta se

obtiene aproximando la curva con una serie de

parábolas cortas, como lo hace el método

Simpson (Sharm, 2003).

De la tabla anterior se observa que la mayoría

de los métodos coinciden en el valor reportado

de F0, sin embargo, para no caer en errores

subjetivos, se promedian todos los resultados,

obteniendo así un valor de F0 de 4,25min.

Las toxinas del C. Botulinum germinan si la

esterilización no se hace en forma correcta,

debido a que en estos productos enlatados se

forma un ambiente de anaerobiosis (Romero,

2007). Las esporas producidas por éste

microorganismo pueden sobrevivir en la mayoría

de los ambientes y son difíciles de destruir incluso

a la temperatura de ebullición del agua de mar,

de modo que muchos enlatados son hervidos a

altas presiones para destruir esporas (Bolaños,

2002). El escaldado realizado en la práctica se

efectuó a una presión de 10 psi (0,68 atm) y una

temperatura de 233 °F (111,1°C), estas

condiciones garantizan un proceso adecuado

para la eliminación de microorganismos

mesófilos causantes de alteraciones en los

alimentos.

El valor reportado de F0 para el C. Botulinum

en un proceso de esterilización a 250°F es de 2,5

min (Orrego, 2003). De acuerdo a los valores

obtenidos en la práctica, F0 = 4,25 min, por lo

tanto, el proceso de escaldado es adecuado pues

supera el valor de 2,5 min recomendado para

garantizar la esterilización del producto. Por otra

parte la diferencia de tiempo entre el valor

recomendado y el obtenido en la práctica es de

1,75 min, lo anterior debido a que la

temperatura que alcanzó el proceso no fue

superior a 250 °F, la relación entre tiempo y

temperatura para el efecto letal es inversa, a

menor temperatura mayor tiempo.

Para disminuir el tiempo, F0, se requiere

conocer como se transfiere el calor en los

alimentos y cuanto tiempo es posible aplicar el

tratamiento térmico sin alterar sus características

organolépticas y nutritivas, destruyendo los

microorganismos presentes. La penetración de

calor en el alimento debe conocerse para calcular

el tiempo de tratamiento térmico necesario para

su conservación. El centro del envase donde se

encuentra el alimento es la porción que más

lentamente se calienta (Instituto Interamericano

de Ciencias agrícolas, 1980). La lata de atún es un

envase metálico, cuya conductividad térmica es

de 202 W/mK para latas de aluminio (Geankplois,

1998), lo cual genera una alta transferencia de

calor del medio de calentamiento al producto,

pero por otra parte la conductividad térmica

reportada para productos de pescado es de 0.431

W/mK (Geankoplis, 1998) éste valor indica que la

velocidad de transferencia de calor del alimento

será menor, implicando mayor tiempo en el

proceso para alcanzar la temperatura requerida

en el centro del producto.

Si toma el valor F0 obtenido en la práctica y se

evalúa en una industria de alimentos la diferencia

de tiempo en el proceso implica un mayor gasto

de energía, involucrando un alza en los costos de

operación. Lo anterior se puede corregir si en el

proceso de escaldo se aumenta la temperatura

de proceso, reduciendo el tiempo, F0, y por

consiguiente el consumo de energía.

Cálculo de Letalidad durante el proceso

Para éste cálculo, y dado que los resultados

anteriores no difieren significativamente el uno

del otro, se utiliza el método de Patashnik:

Tabla 2. Letalidad durante el proceso, método Patashnik

t (min) T (ºF) F0

0 85 0,77

8 222 3,99

16 233 4,26

24 108 4,27

32 74 4,27

40 51 4,27

48 42 4,27

56 38 4,27

Puede observarse en la tabla 2 que el valor de

F0 aumenta rápidamente hasta alcanzar uno

constante de 4,27 en el minuto 24.

En el escaldado, el calor se transfiere a través

de las paredes de los recipientes a las sustancias

alimenticias sólidas por conducción y a los

alimentos líquidos por convección, ya sea natural

o forzada. La rapidez de calentamiento de los

alimentos depende de la naturaleza del medio de

calentamiento, el coeficiente de conducción

(conductividad térmica) de la lata y el alimento y

de si la convección hace circular o no el alimento

dentro de la lata (Sharma, 2003).

A causa de la resistencia térmica y la

capacidad calorífica del alimento y el recipiente,

la temperatura del alimento cambia más

lentamente que la cámara de la autoclave. En

particular, un punto cerca del centro del

recipiente es el que cambia con más lentitud

(Sharma, 2003).

Cálculo de tiempo de proceso

Tabla 3. Condiciones de la práctica

Presión vapor 10 psi (68,95 kPa)

Temperatura vapor 89,52ºC (193,136 ºF)

Radio Lata (x1) 0,0421 m

Altura media Lata (y1) 0,02065 m

h vapor 3000 W/m2K

Tabla 4. Propiedades físicas del atún enlatado

k (W/mK) 0,55625

cp (J/kgK) 3578,38

ρ (kg/m3) 1030,0083

Teniendo en cuenta que la resistencia interna es

no despreciable, y dados los datos anteriores es

necesario calcular el número de Biot, la

difusividad térmica, el valor de X y hacer uso de

los parámetros de la gráfica de Heisler para

temperaturas en el centro de una placa plana.

Estos valores se encuentran gracias a las

ecuaciones 7, 8, 9 y 10.

Tabla 5. Valores de m, X y el Y correspondiente

Orientación m, X Y

Radial

Longitudinal

Entonces,

Comparando éste valor con el reportado en la

práctica (233°F) y según la ecuación 11, se obtuvo

un valor porcentual del error de:

(11)

Puede observarse que para un tiempo de 16

minutos el error en la temperatura alcanzada es

del 8,35%, siendo éste un valor significativamente

alto para la industria, considerando que una mala

calibración del equipo puede llevar a pérdidas

nutricionales, organolépticas y económicas

grandes.

CONCLUSIONES

El efecto letal implica una relación inversa

entre la temperatura del proceso y el tiempo.

El tiempo obtenido en la práctica de

F0=3,828min es adecuado para el proceso de

esterilización, pero implica mayor gasto de

energía.

Las propiedades térmicas del alimento están

relacionadas directamente con el tiempo de

proceso para alcanzar la temperatura

requerida de esterilización.

La temperatura reportada en el minuto 16

(final de la etapa de calentamiento y

comienzo de enfriamiento) presenta un error

del 8,35% respecto al valor esperado; éste

porcentaje, representado por una mala

calibración del equipo o de los sensores de

temperatura, puede repercutir

significativamente en la calidad nutricional y

organoléptica, así como en pérdidas

económicas para la empresa.

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