Modulo Diseño Del Proceso de Conservación de Alimentos Por Calor-1

Versión XIV 2014 Programa de Actualización para Titulación Profesional – –

Agroindustrias e Industrias Alimentarias

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor

Dr. William Rolando Miranda – Zamora – Zamora


Introducción Agradecimientos Unidad Académica 1 Alimentos en Conserva (enlatados) y Legislación Federal de los Estados Unidos

1.1. Definiciones de alimentos en conserva y del proceso de enlatado 1.2. Regulaciones Regulaciones Administrativas de los alimentos enlatados en los EEUU 1.3. Regulaciones Administrativas de la FDA del proceso de enlatado 1.3.1. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 108 1.3.2. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 113 1.3.3. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 114 1.4. Regulaciones Administrativas del USDA-FSIS de productos enlatados 1.4.1. Conceptos básicos del 9 CFR Partes 318.300 – .311 .311 y 381.300 – .311 .311

La industria conservera o enlatadora, que existe por más de cien años, ha adquirido suficiente experiencia con productos deteriorados y con el botulismo como para considerar considerar cuidadosamente el el tratamiento térmico y las operaciones operaciones de cierre de los envases. Por ejemplo, la supervisión inadecuada de un proceso de enlatado en 1963 condujo a un incidente de botulismo, al parecer causado por una fuga en el mal cierre. En 1971, se produjo otro incidente de botulismo debido a que no se aplicaron correctamente los procesos para productos comerciales. En 1978 y 1982 se produjeron incidencias de botulismo en productos enlatados en los EE UU. En el primer caso, se determinó que el problema fue causado por una mala doble costura en una lata. El segundo incidente se produjo por la deformación de una doble costura en el fondo de una lata. El incidente de 1971 hizo que la Asociación Nacional de Productores de Enlatados (ahora la GMP/FPA) y la industria enlatadora crearan regulaciones para el tratamiento térmico a fin de asegurar el procesamiento adecuado de los alimentos enlatados. El resultado fue la recomendación a la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) para el establecimiento de un programa conocido como el “Plan Mejor Control del Proceso” de la Asociación Nacional de Productores de Enlatados. El plan fue puesto en vigor como reglamento de prácticas de buena manufactura (Título 21, Código de Regulaciones Federales [CFR], Parte 128b, posteriormente codificado como 21 CFR Parte 113) y titulado “alimentos de ba ja acidez termoprocesados y envasados herméticamente (LACF)”. Dicho reglamento entró en

vigor en enero de 1973 y fue modificado en mayo de 1979. Los incidentes de botulismo entre 1978 y 1982 condujeron a un aumento en la vigilancia por parte de la FDA y la industria enlatadora, y a una mayor concientización por parte de los fabricantes de envases y procesadores de alimentos sobre el control de calidad para producir envases lo más perfecto posible bajo condiciones de operación comercial. En marzo de 2007, Dr . Wil li am Ro Rolando lando M ir and anda a – Zamora Z amora © 2014 PATPRO – Versión Versión XIV – 2014 2014 – Universidad Universidad Nacional de Piura

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Introducción Agradecimientos Unidad Académica 1 Alimentos en Conserva (enlatados) y Legislación Federal de los Estados Unidos

1.1. Definiciones de alimentos en conserva y del proceso de enlatado 1.2. Regulaciones Regulaciones Administrativas de los alimentos enlatados en los EEUU 1.3. Regulaciones Administrativas de la FDA del proceso de enlatado 1.3.1. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 108 1.3.2. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 113 1.3.3. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 114 1.4. Regulaciones Administrativas del USDA-FSIS de productos enlatados 1.4.1. Conceptos básicos del 9 CFR Partes 318.300 – .311 .311 y 381.300 – .311 .311

La industria conservera o enlatadora, que existe por más de cien años, ha adquirido suficiente experiencia con productos deteriorados y con el botulismo como para considerar considerar cuidadosamente el el tratamiento térmico y las operaciones operaciones de cierre de los envases. Por ejemplo, la supervisión inadecuada de un proceso de enlatado en 1963 condujo a un incidente de botulismo, al parecer causado por una fuga en el mal cierre. En 1971, se produjo otro incidente de botulismo debido a que no se aplicaron correctamente los procesos para productos comerciales. En 1978 y 1982 se produjeron incidencias de botulismo en productos enlatados en los EE UU. En el primer caso, se determinó que el problema fue causado por una mala doble costura en una lata. El segundo incidente se produjo por la deformación de una doble costura en el fondo de una lata. El incidente de 1971 hizo que la Asociación Nacional de Productores de Enlatados (ahora la GMP/FPA) y la industria enlatadora crearan regulaciones para el tratamiento térmico a fin de asegurar el procesamiento adecuado de los alimentos enlatados. El resultado fue la recomendación a la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) para el establecimiento de un programa conocido como el “Plan Mejor Control del Proceso” de la Asociación Nacional de Productores de Enlatados. El plan fue puesto en vigor como reglamento de prácticas de buena manufactura (Título 21, Código de Regulaciones Federales [CFR], Parte 128b, posteriormente codificado como 21 CFR Parte 113) y titulado “alimentos de ba ja acidez termoprocesados y envasados herméticamente (LACF)”. Dicho reglamento entró en

vigor en enero de 1973 y fue modificado en mayo de 1979. Los incidentes de botulismo entre 1978 y 1982 condujeron a un aumento en la vigilancia por parte de la FDA y la industria enlatadora, y a una mayor concientización por parte de los fabricantes de envases y procesadores de alimentos sobre el control de calidad para producir envases lo más perfecto posible bajo condiciones de operación comercial. En marzo de 2007, Dr . Wil li am Ro Rolando lando M ir and anda a – Zamora Z amora © 2014 PATPRO – Versión Versión XIV – 2014 2014 – Universidad Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor casi treinta años después de la última revisión de la regulación, la FDA propuso modificaciones en el artículo 21 CFR Parte 113. Estas modificaciones permitieron el uso de equipos alternativos de registro de temperatura, el sistema métrico decimal y flexibilidad para adoptar nuevas tecnologías. El Plan Mejor Control del Procesamiento (MCP) responsabiliza a los empleados de producción a mantener la seguridad del producto. Durante el mismo, no hay equipo, tecnología, regulación o inspección que pueda prevenir o disminuir el error humano y la posibilidad de consecuencias consecuencias trágicas en el proceso y en la industria en general. Es por ello que el plan MCP incluye provisiones que regulan la participación humana. El Plan MCP requiere que los operadores de procesamiento térmico y envases trabajen bajo la supervisión de individuos entrenados entrenados en cursos aprobados por la FDA. A partir de la publicación de las regulaciones de la FDA ha habido una creciente preocupación en relación con el riesgo de botulismo en alimentos de baja acidez sensibles al calor que se acidifican a fin de permitir requisitos menos severos en el procesamiento térmico. Luego de varias ocurrencias de botulismo en alimentos acidificados enlatados, la FDA añadió una regulación adicional (21 CFR Parte 113) que entró en vigor el 15 de Mayo de 1979. Esta regulación contiene requisitos similares a los de la Parte 113 para el entrenamiento del personal que trabaja en áreas de preparación y proceso de alimentos acidificados. En 1996, la FDA revocó ciertas regulaciones para el procesamiento térmico de alimentos para mascotas que habían estado en vigencia desde 1979. Las provisiones de 21 CFR 108 y 113 se aplican actualmente a las regulaciones para alimentos acidificados tal como se establece en 21 CFR 500.23 y 500.24. En 1976 y luego en 1981, la GMA/FPA (entonces conocida como la Asociación Nacional de Procesadores de Alimentos) solicitó al Servicio de Inspección y Seguridad de los Alimentos del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA-FSIS) que publicara regulaciones detalladas para el envase de productos cárnicos y avícolas. Las regulaciones que aparecen en 9 CFR 318.300 – .311 .311 y 381.300 – .311, .311, y que mantienen el patrón general de regulaciones de la FDA fueron publicadas en diciembre de 1986, y entraron en vigencia, con ciertas excepciones, en Junio 19 de 1987. Se hicieron ciertas revisiones en el año 2000 para eliminar referencias a programas de control parcial de la calidad. Asimismo, en 1996 el USDA-FSIS instauró reformas en la regulación de todos los productos avícolas y cárnicos con el Análisis de Riesgos y Puntos Críticos de Control (HACCP), norma 9 CFR 417. Esta regulación decreta que los establecimientos productores de productos avícolas y cárnicos enlatados tomen en cuenta los peligros microbiológicos en su plan HACCP o elaborar sus productos de acuerdo con las regulaciones para el enlatado estipuladas por USDA – FSIS. FSIS. En otras palabras, un establecimiento puede optar por no cumplir ciertas porciones de las regulaciones para enlatado siempre y cuando manejen los peligros microbiológicos en su plan HACCP. La directiva 7530.2 del USDA – FSIS, FSIS, de fecha 20 de octubre de 2005, describe como la agencia inspecciona los establecimientos que cumplen con todas las regulaciones para el enlatado. Al igual que las regulaciones de la FDA, las normativas del USDA – FSIS FSIS contienen provisiones para el entrenamiento de los empleados. Desde el 19 de diciembre de 1998, los operadores de sistemas de procesamiento y todos los técnicos de cierre de envase están obligados a trabajar bajo la supervisión de una persona certificada como supervisora de estos procesos. Todos los supervisores que habían completado los cursos de MCP antes de esa fecha se consideraron como calificados por el USDA – FSIS. FSIS.

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INTRODUCCIÓN Hace diez años que me dedico a investigar el “tratamiento térmico de alimentos ”, lo inicié cuando realizaba mi postgrado (maestría) en Tecnología de Alimentos en la Universidad Nacional Agraria La Molina (UNALM). La BAN (Biblioteca Agrícola Nacional), me sirvió para abrir el sendero para conocer los orígenes de la ciencia de los alimentos “Food Science” y del tratamiento térmico. En 1973 se publicó la primera edición del manual “Alimentos Enlatados: Principios de Control del Proceso Térmico, Acidificación y Evaluación del Cierre de los Envases ”. Durante este lapso, la industria conservera o del enlatado en los Estados Unidos ha visto muchos avances, tales como las innovaciones en los envases que pueden ser tratados en autoclaves o llenados y sellados asépticamente; los sistemas de control computarizados y los sistemas de procesamiento aséptico para alimentos sólidos. Además, ha habido un aumento en los nuevos productos (bebidas y salsas) y procesos para alimentos acidificados. La contribución de muchas personas y una serie de organizaciones han hecho posible la séptima edición del mencionado manual en el 2007. En esta última edición del manual se realizaron mejoras por el deseo de que los capítulos generales sean aplicables a los alimentos acidificados y a las operaciones de procesamiento aséptico. Observo mejora en la compaginación de capítulos, pues ayuda en la enseñanza y la comprensión del material y acentúa la unión entre microbiología y tratamiento térmico, añadiéndose: casos de putrefacción en alimentos acidificados; tratamiento térmico para alimentos acidificados; los requerimientos de envasado por parte de la FDA; presentación de las autoclaves, los medios de procesamiento y la sobrepresión; conceptos para desarrollar procesamientos asépticos y operaciones de procedimientos de envasado; guías para el manejo adecuado de los envases flexibles, semirígidos y de vidrio e importancia de la revisión de los documentos y registros. Las Escuelas para el Mejor Control de Proceso “Better Process Control School” son resultado de la colaboración entre las universidades, la FDA y la industria. Los primeros cursos fueron ofrecidos en 1972 y hasta la fecha, muchos miles de personas han sido certificadas en este sistema. En Perú se inició el año 2013 en el mes de agosto con la presencia del científico y educador norteamericano Dr. Arthur A. Teixeira en el distrito de la Molina – Lima. El segundo curso con la garantía de la FDA y la UNALM se realizó en marzo del año pasado al cual pude asistir. Me siento muy orgulloso de dictarles este módulo qu e he denominado “ Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor ” que pretende asegurar la inocuidad de los alimentos. Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora

Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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AGRADECIMIENTOS Un agradecimiento muy especial a la Escuela para el Mejor Control de Proceso “Better Process Control School” de Perú, colegas de la UNALM y muchos de ellos mis

amigos: 

Dra. Carmen Velezmoro S.

Dr. Engenharia de Alimentos. Universidade Estadual de Campinas, Brasil. 

Dra. Patricia Glorio P.

Ph.D. Food Science and Technology. Cornell University, New York, USA. 

Mg.Sc. Fanny Ludeña U.

Maestría Tecnología de Alimentos. Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima Perú. Maestría en Tecnología Lechera. Universidad de Cantabria, Santander, España 

Dr. Fernando Vargas D.

Ph.D. Agricultural & Biological Engineering. University of Florida, USA. 

Mg.Sc. W. Francisco Salas V.

Maestría Food Engineering. Michigan State University, USA. 

Mg.Sc. Carlos Elías P.

Maestría Tecnología de Alimentos. Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima Perú 

Ing. Edgar Benites P.

Ingeniero en Industrias Alimentarias. Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima Perú. Miembro Institute for Thermal Processing Specialists. Muchas fotografías y diagramas fueron provistas e impresas con fines de enseñanza y con el permiso de: FMC FoodTech Ball Corporation TetraPak, Decagon, Inc. Departamento de Nutrición, Dietética y Ciencias de los Alimentos de la Universidad Brigham Young Mettler Toledo Bechman Instruments Cherry-Burrell Corp. Wilkens-Anderson Co. Gary Nash (Algunos diseños artísticos y esquemas)    

    

Solamente con fines de enseñanza: Ball, C.O. y Olson, F.C.W. 1957. Sterilization in Food Technology. McGrawHill, New York. Bigelow, W.D., Bohart, G.S., Richardson, A.C. y Ball, C.O. 1920. Heat penetration in processing of canned foods. National Canners Association Bulletin, 16L. Datta, A.K. y Teixeira, A.A. 1987. Numerical modeling of natural convection heating in canned foods. Transactions of the ASAE, 30(5): 1542 – 1551. Datta, A.K. y Teixeira, A.A. 1988. Numerically predicted transient temperatura and velocity profiles during natural convection heating of canned liquid foods. Journal of Food Science, 53(1): 191 – 196. Datta, A.K., Teixeira, A.A. y Manson, J.E. 1986. Computer-based retort control logic for on-line correction of process deviations. Journal of Food Science, 51(2): 480 – 483, 507. 

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 

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GMA. 2007. “Alimentos Enlatados. Principios de Control del Proceso Térmico, Acidificación y Evaluación del Cierre de los Envases”. Séptima edición. GMA

Science and Education Foundation. 198 pág. Lopez, A.A. 1987. Complete Course in Canning, Book 1, Basic Information on Canning, 11th ed. The Canning Trade, Baltimore, MD. Miranda – Zamora, W. R. y Leyva, N. L. 2012. Aplicaciones de Computadora en el Tratamiento Térmico de Alimentos Envasados Usando el Método de Stumbo. UNP. EMDECOSEGE S.A. Chiclayo. Piura, Perú. 177 pág. Miranda – Zamora, W. R. y Teixeira, A. A. 2012. Principios Matemáticos del Proceso Térmico de Alimentos. AMV (Antonio Madrid Vicente) Ediciones. Madrid, España. 559 pág. Miranda – Zamora, W. R.; Bazán, J. F.; Ludeña, A. L. y Tapia, D. A. 2010. Herramientas Computacionales Aplicadas a la Evaluación de Tratamientos Térmicos de los Alimentos Envasados Usando el Método de Ball. UNP. EMDECOSEGE S.A. Chiclayo. Piura, Perú. 94 pág. Miranda – Zamora, W. R.; Vignolo, T. G y Leyva, N. L. 2012. Ingeniería del Tratamiento Térmico de Alimentos. UNP. EMDECOSEGE S.A. Chiclayo. Piura, Perú. 256 pág. NFPA, 1980. Laboratory Manual for Food Canners and Processors, Vol. 1. AVI, Westport, CT. Noronha, J., Hendrickx, M., Van Loey, A. y Tobback, P. 1995. New semiempirical approach to handle time-variable boundary conditions during sterilization of non-conductive heating foods. Journal of Food Engineering, 24: 249 – 268. Stumbo, C.R. 1965. Thermobacteriology in Food Processing.Academic Press, New York. Teixeira, A.A. y Manson, J.E. 1982. Computer control of batch retort operations with on-line correction of process deviations. Food Technology, 36(4): 85 – 90. Teixeira, A.A., Balaban, M.O., Germer, S.P.M., Sadahira, M.S., Teixeira-Neto, R.O. y Vitali, A. 1999. Heat transfer model performance in simulation of process deviations. Journal of Food Science, 64(3): 488 – 493. Teixeira, A.A., Dixon, J.R., Zahradnik, J.W. y Zinsmeister, G.E. 1969. Computer optimization of nutrient retention in thermal processing of conduction-heated foods. Food Technology, 23(6): 137 – 143. Teixeira, A.A., Zinsmeister, G.E. y Zahradnik, J.W. 1975. Computer simulation of variable retort control and container geometry as a possible means of improving thiamine retention in thermally processed foods. Journal of Food Science, 40: 656 – 662.


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UNIDAD ACAD ÉM I CA

Alimentos en Conserva (enlatados) y L egislación F eder al de los Estados Unidos

1.1. Definiciones de alimentos en conserva y del proceso de enlatado

El inicio apropiado para un curso que analiza el tratamiento térmico y envase de alimentos en conserva o enlatados es una definición práctica del término “en conserva” o “enlatado”. En este curso, la conserva o el enlatado es un método de conservación o preservación donde un alimento y su envase se esterilizan mediante la aplicación de calor (Ver Figura 1), o en combinación con el pH, actividad de agua o agentes químicos. El envase herméticamente sellado mantiene la esterilidad del alimento.

Cosecha

Recepción de la materia prima

Inmersión y lavado

Selección y clasificación Blanqueado

Llenado

Exhausting

Enfriado

Pelado y cortado

Sellado

Etiquetado

Procesado

Almacenamiento y empaque

Figura 1. Pasos típicos en el proceso de conservación por calor (Fuente Jackson y Shinn, 1979 citada por Miranda-Zamora et al . 2012).


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor La “esterilidad comercial”, que se conoce también como “estabilidad de almacenamiento”, implica producir alimentos libres de microorganismos dañinos para la

salud, o de aquellos capaces de reproducirse bajo condiciones normales de almacenamiento y distribución sin refrigeración (Ver Figura 2).

(a)

(b)

Figura 2. Conserva: (a) con “esterilidad comercial” o “estabilidad de almacenamiento”; (b) sin “esterilidad comercial” o “estabilidad de almacenamiento”.

A pesar de que los productos comercialmente estériles se conocen como alimentos “enlatados”, el producto no necesariamente tiene que estar en latas, puede estar en frascos de vidrio, envases plásticos, bolsas laminadas (pouches), cajas de cartón, etc., sellados para prevenir la penetración de microorganismos (Ver Figura 3).

Figura 3. Diferentes tipos de envases para alimentos en conserva.

Los productos enlatados se conocen generalmente como alimentos de baja acidez termoprocesados y envasados herméticamente (siglas en Inglés LACF [LowAcid Canned Foods]) o alimentos acidificados (siglas en Inglés AF [Acidified Food]) en


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor base al valor de pH, el cual es mayor que 4,6 para LACF o menor que 4,6 para AF (Ver Figura 4). Un alimento acidificado es un enlatado que ha sido formulado o tratado (añadiendo un ácido o un alimento ácido) de manera que cada componente posee un pH igual o menor que 4,6 en las primeras 24 horas después de realizado el proceso térmico.

Un alimentos de baja acidez, vainitas.

Un alimento acidificado, pepinos en vinagre Figura 4. Alimento de baja acidez y acidificado.

Otro parámetro determinante no relacionado con el pH en casos de LACF y AF es la actividad de agua del producto. Los AF y los alimentos de baja acidez termoprocesados y envasados herméticamente (LACF) poseen actividad de agua mayores que 0,85. Un tercer tipo de enlatado es aquel que posee un pH menor a 4,6 y se denominan “alimentos ácidos”, pero no será tema de discusión en este curso. Se analizarán los métodos usados para obtener esterilidad comercial. Los más comunes son: 

Enlatado convencional:

Envasado del producto, sellado de la lata y el tratamiento de ambos a altas temperaturas y bajo presión usando una autoclave.



Procesamiento y envase aséptico: Esterilización



Control de la formulación: Reducción el pH del producto final (4,6

del producto y el envase por separado, y envasado y sellado en un medio aséptico (esterilidad comercial). o menos) o control de otros aspectos críticos de la formulación (como actividad de agua), y tratamiento del producto con temperaturas más bajas y sin presión (pasteurizado o cocción en condiciones naturales).

El proceso de enlatado depende de una serie de operaciones técnicas que han de realizarse con cuidado y precisión a fin de garantizar la seguridad de los alimentos. El mayor problema para la salud pública es la posibilidad de formación de toxina botulínica en el enlatado. Esta toxina es producida por el Clostridium botulinum , un microorganismo resistente al calor. La afección producida por este microorganismo se Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor conoce como botulismo. El objetivo fundamental de este curso y de las Escuelas para el Mejor Control de Proceso es el evitar la formación de toxinas botulínicas en los alimentos. La GMA/FPA (Asociación de Productores de Alimentos de los Estados Unidos) y otros laboratorios industriales, han realizado investigaciones durante muchos años para establecer las temperaturas y el tiempo de procesado requeridos para destruir microorganismos nocivos para la salud pública, así como otros microorganismos capaces de crecer en alimentos enlatados de baja acidez a temperaturas normales sin refrigeración. Asimismo, se han establecido claramente los métodos para el proceso y el enlatado aséptico de AF, acidificación y control de la actividad de agua en conexión con la pasteurización y la elaboración de productos comercialmente estériles. Estos procesos deben aplicarse correctamente en la producción comercial y los envases deberán sellarse herméticamente a fin de prevenir que el producto se dañe y cause problemas de salud. 1.2. Regulaciones Administrativas de los alimentos enlatados en los EEUU

El objetivo fundamental de este curso es identificar los puntos críticos de responsabilidad en el proceso de enlatado, explicar sus significados y subrayar la importancia de cumplir, sin desviaciones, con los requisitos de estos puntos críticos por medio de: Establecer los puntos críticos de control (sigla en inglés CCPs) en el procesamiento térmico y empacado de los alimentos de baja acidez y acidificados en envases sellados herméticamente. Enfatizar la organización del programa para el control efectivo de estas operaciones. Enfatizar de que no puede haber desviaciones de los CCPs establecidos. Recalcar la importancia de mantener registros y archivos apropiados como un mecanismo de control y como una forma de documentar que los procedimientos operacionales son adecuados. Aquí se analizarán los requerimientos normativos de la FDA y del USDA-FSIS para la producción de alimentos acidificados (AF) y alimentos de baja acidez termo-procesados y envasados herméticamente (LACF). Es fundamental distinguir los significados de dos palabras comunes: – “tener” y “deber”: Tener se utiliza para establecer exigencias obligatorias. Deber se utiliza para establecer procedimientos o equipos recomendados. 



 

Los Cuadros 1 y 2 listan las regulaciones de la FDA y el USDA-FSIS a las que se hacen referencia en este curso. El resto de las regulaciones puede obtenerse en la red accediendo al sitio http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/cfr-table-search.html#pagel.


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Cuadro 1. Regulaciones de la FDA para alimentos procesados térmicamente empacados en envases sellados herméticamente. Título 21 Título de la Regulación Registro Federal (FR) Código de Vol. Página Fecha Regulaciones Federales (21 CFR)

Parte 108 Control del permiso de emergencia (anteriormente Parte Sección 108.25 90) Alimentos acidificados Sección 108.35 Alimentos acidificados (AF) Parte 113 Alimentos de baja acidez (anteriormente Parte termoprocesados y envasados 128b) herméticamente (LACF) Parte 114 Alimentos Acidificados

42

14334 15/03/77

44

16207 16/03/79

42 44

14335 15/03/77 16215 16/03/79

44

16235 16/03/79

Cuadro 2. Regulaciones del USDA-FSIS para alimentos procesados térmicamente empacados en envases sellados herméticamente. Título 9 Código de Título de la Registro Federal (FR) Regulaciones Federales Regulación Vol. Página Fecha (9 CFR) Parte 318.300 – .311 Enlatado de 51 45602 19/12/86

(Productos Cárnicos) y productos avícolas y Parte cárnicos 381.300 – .311 (Productos Avícolas) Modificado 53 57 57 65 65

49848 12/12/88 37872 21/08/92 55443 25/11/92 34381 30/05/2000 53531 5/09/2000

1.3. Regulaciones Administrativas de la FDA del proceso de enlatado 1.3.1. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 108 Control del permiso de emergencia

La Parte 108 esta dividida en dos secciones - Subparte A y Subparte B. La Subparte A explica los reglamentos generales que gobiernan tanto la implementación de los requisitos como las condiciones para la excepción del cumplimiento de la Sección 404 de la ley de la FDA para alimentos enlatados de baja acidez y alimentos acidificados y, según la Sección 404, cuando haya una falla en el cumplimiento de tales requisitos y condiciones. Las partes principales de la Subparte A son: Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 1. Definiciones 2. Procedimientos para excepciones en el cumplimiento de la Sección 404 de la Ley (Control de permiso de emergencia). Cuando el Comisionado encuentra contaminación con microorganismos nocivos para la salud se ordenará al fabricante que obtenga un “permiso de emergencia”.

3. El fabricante necesita un permiso cuando su operación no cumple con las condiciones obligatorias de la Subparte A. 4. El fabricante no podrá transportar su producto a otros estados a menos que posea un permiso. 5. El permiso se suspenderá inmediatamente cuando no se cumpla con los requisitos y condiciones establecimientos en el mismo. 6. El permiso se requiere únicamente durante un período determinado para proteger la salud pública. 7. Un fabricante podrá elaborar alimentos sin permiso, pero tal alimento será retenido en la planta hasta recibir una aprobación por escrito de la FDA. 8. Una vez que el fabricante cumpla con las exigencias de la Subparte B y continúe con este cumplimiento, el Comisionado revocará la necesidad del permiso (autorización). En la Subparte B se establecen las condiciones necesarias para que el procesamiento térmico de alimentos acidificados (108.25) y de baja acidez (108.35) envasados en envases herméticamente sellados cumplan con las estipulaciones del control del permiso de emergencia contenidas en la Sección 404 de la Ley, o se consideren exentos. Estos reglamentos son aplicables a los productos cárnicos y avícolas. Los aspectos fundamentales que trata la Subparte B son: 1. Todos los procesadores de alimentos acidificados y de baja acidez tienen que registrarse con el FDA antes de los diez días una vez comenzada la producción. Se debe registrar el nombre y ubicación de cada establecimiento donde se elaboran los productos, incluyendo el método de procesamiento en términos del control de pH y acidez, el sistema de procesamiento térmico empleado y una lista de los alimentos acidificados y de baja acidez envasados. 2. Todos los procesadores de alimentos acidificados y/o de baja acidez tienen que registrarse con la información sobre los procesos establecidos para cada alimento en cada tamaño de envase, incluyendo según sea necesario, las condiciones para el procesamiento térmico y control de pH, contenidos de sal, azúcar y preservantes, sistema de procesamiento, detalles del proceso establecido o programado, y la fuente y fecha en que se estableció el proceso. El Cuadro 3 lista los formularios necesarios para el registro del fabricante y sus productos. Tanto los formularios como las instrucciones pueden encontrarse en el sitio de la FDA: www.cfsan.fda.gov/ — comm/lacftoc.html, o pueden ser solicitados por correo a: LACF Registration Coordinator (HFS-618) Center for Food Safety and Applied Nutrition (FDA) 5100 Paint Branch Parkway College Park, MD 20740-3835. La FDA ha desarrollado un sistema de procesamiento de la información en la Red. Se puede obtener más información sobre este programa en www.cfsan.fda.gov/commtlacfefs.html.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Cuadro 3. Formularios requeridos por la FDA para el registro de plantas elaboradoras de productos en conserva y sus procesos. Formulario N° Requerido para

FD-2451 FD-2541a

FD-2541c

Registrar el establecimiento envasador. Registrar el proceso para todos los métodos de procesamiento, excepto procesamiento aséptico de alimentos de baja acidez. Registrar el proceso de procesamiento aséptico de alimentos de baja acidez.

3. La información registrada se considerará secreto comercial. 4. El fabricante tiene que procesar cada alimento acidificado o alimento de baja acidez termoprocesado y envasado herméticamente en los envases regulados y de conformidad con los procesos establecidos. 5. El fabricante informará con prontitud a la FDA en cualquier caso de deterioro del alimento o desviación del proceso que indique riesgos potenciales para la salud, en caso de que cualquier lote de tales alimentos haya entrado a los canales de distribución. 6. El fabricante informará con prontitud a la FDA en el caso de que cualquier lote del alimento contaminado con microorganismos haya entrado a los canales de distribución. 7. El fabricante tendrá que contar con un procedimiento actualizado para retirar el producto del mercado. 8. Los supervisores de las operaciones críticas, tales como el procesamiento térmico, acidificación y control del pH, al igual que los inspectores del cierre de envases, tienen que haber completado satisfactoriamente el curso requerido en una escuela aprobada por el Comisionado. 9. Los fabricantes mantendrán sus registros archivados por un período de tres años. 10. Si un estado reglamenta el procesamiento de alimentos de baja acidez y de alimentos acidificados de una forma equivalente a las Partes 113 y 114, el cumplimiento con tales reglamentaciones estatales constituye por sí el cumplimiento con las Partes 108.35(g) y 108.25(i). 11. Tanto las importaciones como los productos domésticos están regidos por la Ley, a excepción de aquellos bajo la concesión del permiso de emergencia. El Comisionado de la FDA requerirá que el Secretario del Tesoro deniegue la admisión del producto en los EE UU conforme a la Sección 801 de la Ley. Pese a que a los procesadores extranjeros no se les exime del entrenamiento en cursos de instrucción aprobados por la FDA, en la práctica la FDA aceptará una declaración de un gobierno extranjero de que esos procesadores están capacitados correctamente. 1.3.2. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 113

1. La Parte 113 define alimentos de baja acidez como cualquier alimento, salvo bebidas alcohólicas, con un pH final en equilibrio mayor que 4,6 y una actividad de agua (aw) mayor que 0,85. Los tomates y los productos de tomate que tengan un pH final en equilibrio menor que 4,7 no se clasifican como alimentos de baja acidez.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 2. Se requiere que los productos sean preparados y empacados en envases de tal forma que puedan ser procesados adecuadamente. 3. Se requiere que el proceso térmico (proceso establecido) sea diseñado por personas calificadas y consideradas como expertas en los requisitos de procesamiento térmico. 4. Se define como proceso establecido al que logra la “esterilidad comercial”. La esterilidad comercial de alimentos procesados herméticamente sellados significa que las condiciones se obtuvieron por: a. La aplicación de calor que elimina: i. microorganismos capaces de reproducirse en el alimento bajo condiciones normales de almacenamiento y distribución sin refrigeración. ii. microorganismos viables (incluyendo esporas) que son nocivos para la salud pública. b. El control del contenido de agua y la aplicación de calor, lo cual hace que el alimento esté libre de microorganismos capaces de reproducirse bajo condiciones de almacenamiento y distribución. c. La aplicación de calor, esterilizantes químicos u otros tratamientos apropiados que hacen que los equipos y envases usados para procesos asépticos y de envase de los alimentos estén libres de microorganismos viables nocivos para la salud pública, así como otros microorganismos capaces de crecer en alimentos enlatados de baja acidez a temperaturas normales sin refrigeración durante el almacenamiento y la distribución. 5. La parte 113 especifica el diseño adecuado, los controles y la instrumentación para todos los sistemas comunes de autoclavado. Se describen las prácticas necesarias en la operación de estos sistemas para garantizar la seguridad del alimento. 6. Se requiere el mantenimiento de registros de todas las codificaciones, procesamientos e inspecciones del cierre de envases de forma que, antes de la distribución del producto, la gerencia revise los registros a fin de asegurar la esterilidad comercial. Estos registros son de valor incalculable en caso de deterioro o de evidencia de insuficiente procesamiento en un producto ya distribuido. En tales casos puede ser necesario retirar el producto del mercado a menos que los registros demuestren concluyentemente que el producto no representa ningún peligro para la salud. 7. La regulación analiza en detalle la situación en la que el fabricante encuentra que una carga de autoclave, un lote o alguna porción de la producción, ha recibido un proceso insuficiente al cotejar los registros y hacer otras verificaciones. El fabricante tendrá entonces que reprocesar el producto y aislarlo hasta tanto se determine que no presenta peligro alguno a la salud. Una vez demostrado que el lote no presenta ningún problema de salud o que se lo reprocesó hasta alcanzar la esterilidad comercial, este puede ser distribuido. De lo contrario, debe ser destruido. 8. Se requiere la inspección del cierre de los envases para asegurar que estén sellados adecuadamente. 9. Se requiere también que los supervisores responsables por las operaciones críticas del procesamiento térmico y de las inspecciones de los envases reciban instrucciones en una escuela aprobada por la FDA.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 1.3.3. Conceptos básicos del 21 CFR Parte 114

1. La Parte 114 define l os alimentos acidificados como “ cualquier alimento de baja acidez al cual se le ha añadido ácido(s) o alimento(s) ácido(s)”. Los alimentos acidificados tienen contenido de agua mayor que 0,85 y un pH final en equilibrio de 4,6 o menos. 2. Entre estos alimentos (solos o en combinación) se encuentran los frijoles, las habichuelas, los pepinillos, el repollo, las alcachofas, la coliflor, los budines, los pimientos, las frutas tropicales y el pescado. Estos alimentos pueden identificarse como “encurtidos” o “(nombre del producto) encurtido” . 3. Están excluidos de esta parte las bebidas carbonatadas, las jaleas, las mermeladas, las conservas de alimentos ácidos (incluyendo alimentos tales como aderezos y salsas de condimento estandarizados y no estandarizados) o aquellos productos que contengan pequeñas cantidades de alimento(s) de baja acidez y tengan un pH final que no difiera significativamente del ácido o alimento ácido predominante. También están excluidos los alimentos que son almacenados, distribuidos y vendidos bajo condiciones de refrigeración. 4. Los procedimientos para la acidificación incluyen: A. Escaldado en soluciones acuosas acidificadas. B. Inmersión en soluciones ácidas. C. Acidificación directa. D. Adición directa de ácidos a cada uno de los envases. E. Adición de alimentos ácidos. 5. La Parte 114 requiere que el proceso establecido sea determinado por una persona calificada y con experiencia en la acidificación y el procesamiento de alimentos acidificados. 6. Define los procedimientos a seguir en caso de desviación del proceso establecido y cuando el pH en equilibrio sea mayor que 4,6. 7. Define como proceso establecido al proceso seleccionado por el fabricante como adecuado bajo las condiciones de manufactura para lograr y mantener un alimento que evite el crecimiento de microorganismos nocivos para la salud pública. Se incluye el control del pH y otros factores críticos equivalentes al proceso establecido por una autoridad de proceso competente. 8. Se describen métodos que pueden ser usados para determinar el pH o la acidez en alimentos acidificados. 9. Ordena el mantenimiento de archivos de registros para verificar el cumplimiento de la Ley y la evaluación de salubridad, así como para identificar la distribución inicial del producto terminado y facilitar, si fuera necesario, su segregación. 10. Requiere que los supervisores responsables del control de pH y otros factores críticos en la acidificación reciban instrucción en una escuela aprobada por la FDA. 1.4. Regulaciones Administrativas del USDA-FSIS de productos enlatados

La Ley Federal de Inspección de Carnes es la legislación que rige las regulaciones sobre la inspección de carnes. La Ley de Inspección de Productos Avícolas cumple con la misma función pero en productos avícolas. En general, los alimentos que contienen más de 3% de carne cruda de res (2% de carne cocida), ó 3% o más de carne cruda de aves (2% de carne de ave cocida), están bajo la jurisdicción del USDA-FSIS. Existen dos grupos de regulaciones para alimentos enlatados debido a que las Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor regulaciones del USDA-FSIS para productos cárnicos y avícolas son autorizadas por legislaciones diferentes. Afortunadamente, las regulaciones (318.300 para productos cárnicos y 381.300 para productos avícolas) son esencialmente idénticas y no es necesario discutirlas por separado. 1.4.1. Conceptos básicos del 9 CFR Partes 318.300 – .311 y 381.300 – .311

1. La Sección .300 contiene definiciones de términos usados en estas regulaciones. La mayoría de las definiciones tienen una intención similar a las definiciones de la FDA para los mismos términos, sin embargo existen ocasionalmente algunas pequeñas diferencias en la redacción del texto. 2. La Sección .301 describe los requisitos para el manejo de los envases y su sellado, incluyendo las inspecciones visuales periódicas y de desmontaje del sello doble de recipientes rígidos (metal), recipientes de vidrio y recipientes semirígidos y flexibles. También se especifican los requisitos para examinar y limpiar los envases vacíos, codificar los envases y para el manejo de los envases sellados. 3. La Sección .302 describe los requisitos para el establecimiento del proceso térmico y la presentación de la información respectiva. a. Para cada producto tiene que existir un proceso térmico o proceso establecido antes de su procesamiento y distribución comercial. b. Los procesos deben ser establecidos por una autoridad de proceso. c. Los cambios potencialmente perjudiciales en la formulación del producto u otros factores no cubiertos en el proceso establecido deberán ser evaluados por una autoridad de proceso. d. Los registros para el establecimiento del proceso deberán estar disponibles para el personal del programa USDA-FSIS en caso de ser solicitados. A diferencia de las regulaciones de la FDA, el USDA-FSIS no requiere que se presenten o registren los procesos en formularios oficiales). e. El establecimiento en cuestión proveerá al inspector con una lista de los procesos establecidos (incluyendo procesos alternativos), así como cualquier otra información adicional aplicable, tales como los procedimientos operacionales durante la puesta en marcha de la autoclave y los factores críticos. f. Las cartas donde se recomiendan los procesos establecidos deberán ser archivadas y estar disponibles en caso de ser solicitadas. g. Si se identifican factores críticos en el proceso establecido, el establecimiento deberá proveer al inspector con una copia de los procedimientos para medir, controlar y registrar estos factores, así como la frecuencia de tales mediciones. Los procesos establecidos, o los parámetros relacionados con factores críticos, no pueden ser alterados sin la previa presentación por escrito al inspector de los procedimientos modificados. 4. La Sección .303 requiere que los factores críticos sean medidos, controlados y registrados para asegurar que se mantienen dentro de los límites usados para establecer el proceso. Se presentan ejemplos de factores críticos para varios sistemas de procesamiento térmico. 5. La Sección .304 describe ciertos requisitos para las operaciones en el área de procesamiento térmico para el control operativo del autoclave, el anuncio de los Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor horarios de procesamiento, medición y registro de las temperaturas iniciales, la prevención para que el producto no se libere sin haber pasado por el autoclave y los instrumentos para monitorear el tiempo y el pH del producto. 6. La Sección .305 especifica el diseño apropiado, los controles y los requerimientos instrumentales de varios sistemas de autoclaves. 7. La Sección .306 detalla los registros de procesamiento y producción requeridos para varios sistemas de procesamientos térmicos. 8. La Sección .307 describe los requerimientos de documentación, revisión y mantenimiento de los registros de procesamiento y cierre de envases. El establecimiento tiene que mantener registros que identifiquen la distribución inicial del producto terminado. Los registros de procesamiento y producción tienen que ser guardados por un mínimo de un año en el establecimiento y por dos años adicionales en cualquier lugar en donde puedan estar disponibles en tres días hábiles. 9. La Sección .308 describe los requerimientos específicos para manejar las desviaciones del proceso. El establecimiento puede manejar las desviaciones en base a las descripciones del plan HACCP, de acuerdo a los documentos de manejo de desviación, o de acuerdo con las previsiones establecidas en esta sección. Las opciones proporcionadas son el reproceso inmediato, la aplicación de un proceso alternativo establecido o la evaluación de la desviación por una autoridad de proceso. El producto tiene que retenerse pendiente de la evaluación del proceso y no puede ser despachado hasta que la USDA-FSIS haya revisado toda la información de la desviación de proceso y de la evaluación y haya aprobado la disposición del producto. El establecimiento tiene que mantener registros completos del manejo de cada desviación de proceso en un archivo de desviaciones. 10. La Sección .309 proporciona los requerimientos para la inspección de producto terminado, incluyendo la incubación del producto y el examen de la condición del envase. El establecimiento puede elegir el uso del plan HACCP para controlar riesgos microbiológicos para la evaluación de la incubación del producto y el examen de la condición del envase. El establecimiento puede usar además un programa de control de calidad total, un procedimiento de documentación alternativa o seguir las previsiones establecidas en esta sección. Los requerimientos de incubación detallados en esta sección requieren que las muestras de producto se mantengan a 35 ± 2.8°C (95 5°F) por 10 días. 11. La Sección .310 requiere que todos los operadores de sistemas de procesamiento térmico y los técnicos de cierre de envase, estén bajo la supervisión directa de una persona que haya completado exitosamente un curso de instrucción que sea generalmente reconocido como adecuado para la capacitación apropiada de supervisores de operaciones de enlatado. 12. La Sección .311 requiere que los establecimientos preparen y mantengan un procedimiento actualizado para el retiro del mercado de todos los productos enlatados cubiertos por estas regulaciones. Si se solicita, el procedimiento de retiro tiene que estar disponible a los empleados del Programa USDA-FSIS para su revisión.


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Unidad Académica 2 Microbiología de los Alimentos Termoprocesados

2.1. Introducción 2.2. La microbiología y el procesamiento de los alimentos 2.2.1. Características y comportamientos de los l os microorganismos 2.3. Utilidad de los microorganismos 2.3.1. Algunos microorganismos causan enfermedades 2.4. Microorganismos importantes en el procesamiento de alimentos 2.5. El Clostridium botulinum y el botulismo 2.5.1. Efecto del pH en el crecimiento del C. botulinum 2.5.2. Efectos del pH en los l os tratamientos térmicos requeridos 2.6. Control de las bacterias mediante la actividad de agua (a w) 2.6.1. Regulaciones relacionadas relacionadas a la actividad de agua 2.6.2. Métodos para determinar la actividad de agua 2.6.3. La sal y la actividad de agua 2.7. Deterioro de alimentos termoprocesados comercialmente estériles 2.7.1. Indicios de deterioro por bacterias 2.7.2. Deterioro incipiente (pre-proceso) 2.7.3. Contaminación de post-proceso (infiltración) 2.7.4. Tratamiento térmico inadecuado 2.7.5. Deterioro por organismos termotróficos 2.7.6. Deterioro debido a bacterias acido-tolerantes formadoras de esporas 2.7.7. Otras causas de deterioro


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M I CROBI CROBI OL OGÍ OGÍA D E UNIDAD L OS AL I M ENTOS ACAD ÉM I CA TERMOPROCESADOS

2.1. Introducción

La microbiología es el estudio de formas de vida tan pequeñas que sólo pueden verse a través del microscopio. Estas formas microscópicas se conocen como microorganismos (gérmenes, microbios, bacterias, etc.). Antony van Leeuwenhoek, inventor del microscopio a principios de 1700 y el primero en observar estas formas microscópicas vivientes, llamaba “bestiecillas” a estos microorganismos. La microbiología se aplica en

la medicina, la agricultura, y en la industrialización y preservación de alimentos. El tema de esta unidad académica es la microbiología de los alimentos, la cual resulta primordial en la obtención de alimentos comercialmente estériles con suficiente vida de anaquel. 2.2. La microbiología y el procesamiento de los alimentos

La historia del tratamiento térmico de alimentos en conserva comienza en 1810. El confitero francés Nicolás Appert descubrió que los alimentos envasados en frascos de vidrio, sellados con corcho y esterilizados en agua hirviendo duraban más sin descomponerse. Appert no pudo explicar científicamente el por qué del éxito de su método ya que la microbiología como ciencia era desconocida en esa época y concluyó que la combinación de calor y exclusión de aire “impedía la tendencia a la descomposición”.

Cincuenta años después, Louis Pasteur demostró que ciertos microorganismos eran responsables de la fermentación y la descomposición de los alimentos. Es por ello que el término “pasteurización” lleva su nombre. Aunque los hallazgos de Pasteur pudieron

haber explicado el éxito del método de Appert, éstos no fueron aplicados de inmediato en la industria de alimentos enlatados. Como resultado, permaneció desconocida la causa de muchos casos de deterioro en los inicios de la industria. Se analizaron teorías en un vano esfuerzo por descubrir la causa de estos problemas. Muchos procesadores de alimentos creían firmemente que los enlatados no se podían preservar sin el proceso al vacío. Finalmente, las investigaciones en microbiología de los alimentos del Instituto de Tecnología de Massachusetts, demostró concluyentemente en 1895 que el aparente misterio del deterioro de los alimentos enlatados era el resultado de la aplicación insuficiente de calor para destruir los microorganismos.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 2.2.1. Características y comportamientos de los microorganismos

Hoy día sabemos que todos los alimentos crudos contienen microorganismos que, a menos que sean controlados o destruidos, causarán deterioro. La preservación de los alimentos es una competencia entre la especie humana y los microorganismos; nosotros tratamos de preservar los alimentos mientras que los microorganismos tratan de utilizarlos. La preservación de los alimentos requiere el control de los microorganismos, por lo cual es importante conocer su origen y comportamiento. Los procesadores de alimentos consideran de interés a los hongos, las levaduras y las bacterias que bajo determinadas condiciones crecen en los alimentos o en el ambiente de la planta procesadora. Estos microorganismos se dividen en grupos según sus características microscópicas o su apariencia en crecimientos masivos llamados colonias (Figura 1). Los virus y parásitos son asimismo objetos de estudio pues, aunque no se multiplican en los alimentos, pueden contaminarlos a través de aguas contaminadas u otras fuentes de contaminación. Los siguientes factores son también importantes en la clasificación de los microorganismos:     

El material que pueden utilizar como alimento Los subproductos resultantes de la descomposición de los alimentos Su tolerancia al oxígeno Su temperatura de crecimiento Su resistencia a los agentes destructivos como calor y productos químicos

2.3. Utilidad de los microorganismos

De los cientos de miles de microorganismos identificados, muchos resultan de utilidad para el ser humano en la elaboración elaboración de sabrosos alimentos, tales como como el pan, el queso, los vinos, las cervezas y los alimentos encurtidos. Existen microorganismos necesarios para la producción de enzimas, antibióticos, glicerol y alcoholes utilizados en la industria y la medicina. Otros microorganismos tienen la habilidad de degradar la materia orgánica y devolverla al suelo en forma de sustancias más simples para el uso por parte de otros microorganismos. Estas sustancias se convierten en alimentos para plantas, las que a su vez proveen proveen alimentos a los animales. 2.3.1. Algunos microorganismos causan enfermedades

Alrededor de 1865 se aceptó la “teoría de los gérmenes como causa de enfermedades”.

Esta teoría plantea que la mayoría de las enfermedades en humanos, animales o plantas son causados por microorganismos específicos. El microorganismo, o la substancia producida por éste, invaden invaden el cuerpo humano, humano, animal o la planta y causa la enfermedad. enfermedad. Los microorganismos que producen enfermedades se llaman patógenos. Afortunadamente, son muy pocos los microorganismos perjudiciales al hombre. Las enfermedades pueden ser transmitidas de persona a persona o de animales a humanos, pero sólo unas pocas enfermedades enfermedades pueden transmitirse través de los alimentos. Los patógenos bacterianos bacterianos son más frecuentemente frecuentemente la causa de estas estas enfermedades, enfermedades, debido a su más fácil detección, aunque otras son causadas por virus, como el norovirus. La Dr . Wil li am Ro Rolando lando M ir and anda a – Zamora Z amora © 2014 PATPRO – Versión Versión XIV – 2014 2014 – Universidad Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor mayoría de las enfermedades transmitidas por alimentos que se diagnostican en el laboratorio están producidas por una cantidad limitada de bacterias: Campylobacter , Clostridium perfringes, Salmonella spp., Shigella ssp., y Staphylococcus aureus . 2.4. Microorganismos importantes en el procesamiento de alimentos

Los microorganismos de interés en la preservación de alimentos son los hongos, las levaduras y las bacterias (Figura 2). A continuación se describirán cada grupo de microorganismos: Hongos

Los hongos presentan algunas de las características de las plantas superiores. Son microorganismos multicelulares compuestos por filamentos tubulares que generan ramificaciones y se reproducen por medio de estructuras llamadas esporas, las cuales se producen en o sobre estructuras aéreas. Sus micelios o filamentos parecen raíces. Son mucho mayores que las bacterias y un poco más grandes que las levaduras. Los hongos se encuentran ampliamente distribuidos en el ambiente, tanto en el suelo como en el aire; y dadas las condiciones adecuadas de humedad, ventilación y temperatura, crecen sobre cualquier alimento. Un ejemplo cotidiano es el surgimiento de manchas negras o verdes en el pan viejo. Asimismo, se pueden encontrar hongos en una amplia variedad de substancias aparentemente inadecuadas para permitir su crecimiento, tales como las soluciones concentradas de algunos ácidos, agua conteniendo trazas de ciertas sales, o ciertos pegamentos utilizados en el etiquetado. Los hongos crecen fácilmente en paredes y cielos rasos de edificios donde la humedad y la condensación son altas. Los hongos también pueden crecer en refrigeradores porque son más tolerantes a las temperaturas bajas que al calor. Los hongos son capaces de consumir ácidos y aumentar el pH de los productos alimenticios. En ocasiones muy raras, el crecimiento de hongos en alimentos han eliminado las condiciones de acidez que inhiben el crecimiento del Clostridium botulinum, un microorganismo trasmitido por alimentos que se describirá más adelante en esta unidad académica. La descomposición de alimentos enlatados y sellados por los hongos es rara pero no imposible. La mayoría de los hongos son poco resistentes al calor y no sobreviven los procesos térmicos para alimentos enlatados de baja acidez. Por lo tanto si los hongos están presentes es el resultado de casos serios de procesamientos insuficientes o de contaminaciones después del procesado. Debido a que los hongos necesitas oxígeno para crecer, sólo puede ocurrir un crecimiento mínimo a menos que el envase esté comprometido con orificios que permitan la entrada de aire. Se han relacionado hongos tales como Byssochlamys fulva, Talaromyces flavus, Neosartorya fisheri, etc. con el deterioro de latas de jugos de frutas, frutas en conserva y productos a base de frutas. Debido a que estos hongos pueden producir esporas que le permiten sobrevivir condiciones adversas, estos hongos son capaces de resistir el tratamiento térmico moderado que se usa en la preservación de alimentos de alta acidez. Las esporas resistentes al calor de estos hongos pueden sobrevivir más de un minuto a 92°C (198°F) en alimentos ácidos o acidificados. Sin embargo, para lograr este grado de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor resistencia los hongos tienen que madurar y producir las esporas resistentes al calor. Por lo tanto, es crucial el saneamiento diario de equipos y recipientes para la materia prima para controlar el crecimiento de estos microorganismos y prevenir la formación de esporas resistentes. El crecimiento de hongos en alimentos procesados térmicamente no presenta un problema significativo para la salud pública. Más bien, los hongos se usan en el proceso de maduración de algunos quesos y salchichas. HONGO

LEVADURA BACTERIA Figura 1. Apariencia de los hongos, las levaduras y las bacterias en un cultivo (centro) y microscópicamente como unidades individuales


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor HONGOS

LEVADURAS

BACTERIAS

Figura 2. Los microorganismos de importancia en la preservación de los alimentos son los hongos, las levaduras y las bacterias. Levaduras

Otros microorganismos importantes en la preservación de alimentos son las levaduras. Estos microorganismos son células individuales, microscópicas, usualmente de forma ovoide. Son más pequeñas que los hongos pero más grandes que las bacterias. Su grosor aproximado es de 1/80 mm (1/2000 en pulgadas). Las levaduras se reproducen principalmente por gemación. Primero se forma una pequeña yema en la célula madre y aumenta gradualmente en tamaño hasta formar otra. Algunas variedades de levaduras pueden formar esporas dentro de una célula especial. Estas esporas pueden luego convertirse en nuevas células. Las levaduras se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza y se asocian particularmente con alimentos líquidos que contengan azúcares y ácidos. Se adaptan muy bien a condiciones adversas tales como acidez y deshidratación. Al igual que los hongos, son más resistentes a las bajas temperaturas. Comparadas con las esporas bacterianas, las levaduras poseen poca resistencia al calor. La mayoría de las levaduras se destruyen a 77°C (170°F). Cuando los alimentos enlatados se deterioran por la presencia de levaduras, se debe sospechar de un insuficiente procesamiento o de una infiltración. Generalmente el crecimiento de levaduras produce alcohol y grandes cantidades de dióxido de carbono, el cual infla el envase. El crecimiento de levaduras en alimentos procesados no representa un problema para la salud pública. Más bien, se utilizan en la producción de pan y bebidas fermentadas.

Bacterias


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Las bacterias son los microorganismos más importantes y problemáticos para el procesador de alimentos. Son cuerpos vivientes unicelulares tan pequeños que sólo son visibles con la ayuda de un microscopio. Las células bacterianas varían en longitud de 1/1000 a 1/40 mm (1/ 25 000 a 1/1000 en pulgadas). El número de estos pequeños microorganismos que podría colocarse en la cabeza de un alfiler equivaldría a la población de una gran ciudad. Bajo el microscopio, las bacterias presentan distintas formas, como aparecen en la Figura 2 – 3. Las bacterias más importantes en el deterioro de los alimentos procesados son las que tienen formas redondeadas, llamadas cocos, o las de forma de bastoncitos que se denominan bacilos. La mayoría de las bacterias son comparativamente inofensivas pero excretan enzimas que pueden producir cambios indeseables en los alimentos. Algunas bacterias sin embargo son patógenas. En algunos casos, las bacterias pueden producir substancias venenosas. Reproducción de las bacterias

Las bacterias se reproducen por división; un proceso que los microbiólogos llaman fisión. Cuando una célula está lista para dividirse, el material celular aumenta gradualmente hasta que su volumen prácticamente se duplica. Las formas redondas se tornan ovaladas y las alargadas se estiran hasta duplicar su longitud. La célula entonces se encoge en el centro. Esta constricción se hace cada vez más profunda hasta que el contenido celular se divide en dos compartimentos aislados por una pared. Estos dos compartimentos finalmente se separan para formar dos nuevas células que son copias exactas de la célula madre y de sí mismas (Figura 3). La reproducción de las bacterias, o su incremento en número, se denomina crecimiento. Las células bacterianas en su estado activo de crecimiento y metabolismo se conocen como células vegetativas. Se han realizado experimentos para determinar la velocidad de crecimiento de las bacterias bajo condiciones favorables. Como promedio, la célula se divide cada 20 ó 30 minutos. A esta velocidad de división celular cada célula producirá 4 células en la primera hora. Pasadas dos horas, cada célula producirá 16 nuevas células. Luego de 15 horas, cada célula madre habrá producido mil millones de células idénticas a la original. Por ejemplo, si se tienen 75 000 bacterias por pulgada cuadrada de cinta transportadora, al final de la primera hora habría 300 000 bacterias por pulgada cuadrada en esa cinta. En tres horas, el conteo de bacterias por pulgada cuadrada de superficie en la cinta transportadora podría ser de 4 800 000 (Figura 4). Afortunadamente, sin los nutrientes disponibles o condiciones favorables el crecimiento bacteriano se detiene. La presencia de grandes cantidades de bacterias resulta en una acumulación de substancias del mismo crecimiento bacteriano las cuales actúan como inhibidores de crecimiento. Debido a la contaminación del medio ambiente donde crecen, las células pueden morir. Sin embargo, si el microorganismo es capaz de producir esporas, o formas latentes pero resistentes, las células sobrevivirán dichas condiciones adversas.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor COCOS

BACILOS

Figura 3. Las bacterias se reproducen por la división de las células individuales. Cuando una célula esta lista para dividirse aumenta de tamaño y finalmente se forma una pared que separa dos células idénticas.

1

0 Horas

Reproducción de una sola célula 4 16

Mil millones

1 Hora 2 Horas 15 Horas Acumulación de bacterias en correa transportadora (Contajes por pulgada cuadrada de correa)

0 Horas

1 Hora

3 Horas

Figura 4.Crecimiento bacteriano potencial bajo condiciones favorables. Formación de esporas bacterianas

Las bacterias se dividen en dos grupos según su habilidad de formar o no esporas. Un grupo de bacterias no forman esporas y solamente existen como células vegetativas. Prácticamente todas las bacterias redondas (cocos) y la mayoría de las bacterias en forma de bastoncitos (bacilos) no forman esporas y se clasifican como bacterias no formadoras de esporas. Sin embargo, algunos bacilos tienen la habilidad de formar esporas (Figura 5) y se clasifican como bacterias formadoras de esporas. Estas últimas pueden existir como esporas o células vegetativas. Las esporas son fases latentes en el ciclo de vida normal de las bacterias y tienen la habilidad de sobrevivir una amplia gama de condiciones desfavorables. Las esporas han sido comparadas con las semillas de las plantas debido a que germinan y crecen cuando las condiciones son apropiadas. Las esporas que se forman en levaduras y hongos son las estructuras reproductoras de estos microorganismos, mientras que las esporas de las bacterias son una etapa latente en el ciclo de crecimiento de las bacterias. Cuando una espora germina es simplemente el mismo microorganismo que continúa su crecimiento.


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Figura 5. Las esporas pueden variar en forma, y tamaño en la célula, pero su apariencia y localización son siempre específicas para cada tipo de microorganismo. Resistencia de las esporas al ambiente

Las esporas bacterianas son extremadamente resistentes a los cambios de temperatura y a los agentes químicos. Algunas pueden sobrevivir en agua hirviendo (100°C o 212°F) por más de 16 horas. El mismo microorganismo en su etapa vegetativa no sobrevive a esta temperatura. Las bacterias que no forman esporas tampoco sobreviven altas temperaturas. Como regla general, las esporas que resisten el calor son también altamente resistentes a los agentes químicos. Hay esporas bacterianas que pueden sobrevivir más de tres horas en soluciones desinfectantes que se utilizan en las plantas procesadoras de alimentos. Las bacterias no esporuladas, sin embargo, son fácilmente destruidas por agentes desinfectantes. Fuentes de microorganismos en los alimentos

El terreno y el agua de donde se obtiene el alimento son las fuentes más comunes de los microorganismos y las esporas que contaminan los alimentos. Las hortalizas verdes tales como la espinaca y otras que crecen cerca de la tierra generalmente tienen grandes cantidades de bacterias y de esporas bacterianas. Los espárragos y los hongos que crecen del suelo están siempre contaminados con esporas. Las cosechas que crecen en suelos cerca de las riberas de ríos, las orillas de los lagos y llanuras aluviales también contienen un gran número de esporas. Condiciones que afectan el crecimiento de las bacterias

Para controlar o eliminar las bacterias, se han de conocer las condiciones necesarias que permiten el crecimiento de cada grupo específico de bacterias. Los siguientes factores influencian el crecimiento microbiano: el alimento, la humedad, el oxígeno, la temperatura y el pH.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Alimentos disponibles

El factor más importante que afecta el crecimiento de las bacterias es la presencia de una provisión adecuada de nutrientes. Todo microorganismo viviente requiere de nutrientes para multiplicarse, entre ellos soluciones de azúcares u otros carbohidratos, proteínas y pequeñas cantidades de otras substancias, tal como los fosfatos, los cloruros y el calcio. Si una fuente de nutrientes es eliminada, las bacterias no se multiplicarán. Humedad

El grado de humedad en un producto alimenticio es fundamental para que las bacterias puedan alimentarse, ya que las células no tienen bocas y consumen sus alimentos en forma de soluciones que penetran a través de la pared celular. Sin la humedad suficiente resulta imposible la transferencia de alimentos o la expulsión de desperdicios dentro de la célula. Más adelante en esta sección aprenderemos cómo prevenir el crecimiento bacteriano controlando la cantidad de humedad disponible para las bacterias. Oxígeno

Algunas bacterias llamadas aeróbicas requieren oxígeno para vivir. Asimismo, existen otras para las que el oxigeno resulta un inhibidor del crecimiento. Éstas últimas son llamadas anaeróbicas. Pero la mayoría de las bacterias no son estrictamente aeróbicas ni anaeróbicas, sino que pueden tolerar hasta cierto grado tanto la presencia como la ausencia de oxígeno. Estas bacterias se conocen como anaeróbicas facultativas. Temperatura

Para cada tipo de bacteria existe un rango óptimo de temperatura para su crecimiento. Las temperaturas por debajo o por encima de éste rango óptimo afectan adversamente el crecimiento del microorganismo. Los grupos bacterianos se clasifican con nombres que indican su relación con la temperatura. Estos grupos se clasifican como psicrotróficos, mesotróficos y termotróficos (Cuadro 1). Bacterias psicrotróficas

Estas bacterias se multiplican mejor en temperaturas entre 14-20°C (58-68°F), pero pueden crecer lentamente en o sobre alimentos refrigerados a 4°C (40°F). Debido a esta capacidad se les denomina psicro (frío) tróficas (alimentar, crecer). Estas bacterias no son de interés en la fabricación de alimentos enlatados, a excepción del C. botulinum tipo E y de las cepas no-proteolíticas de los tipos B y F. Bacterias mesotróficas

Las bacterias mesotróficas (meso = intermedio) son bacterias que se reproducen mejor a una temperatura entre 30 y 37°C (86 y 98°F). Este es el rango normal de temperatura de los almacenes. Todos los microorganismos que afectan la seguridad de los alimentos crecen en estas temperaturas, aunque algunas también se consideran psicrotróficas. La bacteria formadora de esporas C. botulinum pertenece a este grupo, a pesar de que algunas cepas se consideran psicrotróficas.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Bacterias termotróficas

Las bacterias termotróficas (termo = calor) son bacterias que crecen en altas temperaturas. Las bacterias termotróficas se encuentran en los suelos, en estiércol y abono orgánico y en manantiales termales. Muchas de ellas producen esporas y se dividen en dos grupos en base a la temperatura en la cual germinan y crecen las esporas. Si las esporas no germinan ni crecen por debajo de 50°C (122°F), las bacterias se conocen como termotróficas obligadas, es decir, que requieren altas temperaturas para el crecimiento. Si las bacterias son capaces de crecer a temperaturas de entre 50 y 66°C (122 y 150°F), o a temperaturas más bajas de hasta 38°C (100°F), se las conoce como termotróficas facultativas, pues tienen la habilidad de crecer en esos intervalos de temperatura. Algunos de las bacterias termotróficas obligadas pueden crecer a temperaturas de hasta 77°C (70°F). Se ha demostrado en el laboratorio que las esporas de estas bacterias son tan resistentes al calor que pueden sobrevivir por más de 60 minutos a temperaturas de 121°C (250°F). Las bacterias termotróficas no producen veneno durante el deterioro del alimento y no afectan la seguridad del mismo. Cuadro 1 — Clasificación de las bacterias en base al rango de temperaturas óptimas para su crecimiento. Clasificación Temperatura óptima

Psicrotróficos Mesotróficos Termotróficos

14-20°C (58-68°F) 30-37°C (86-98°F) 50-66°C (122-150°F)

Requirimientos de pH

El término pH se refiere al grado de acidez o alcalinidad de una sustancia. El pH de un alimento influirá en los tipos de microorganismos que pueden crecer en él. Por lo general, los hongos y las levaduras crecen en pH más bajos que las bacterias. Las bacterias necesitan un pH óptimo para el crecimiento, más bien neutral, y un mínimo por debajo del cual les resulta imposible multiplicarse. Es posible controlar el crecimiento bacteriano ajustando el pH de los alimentos, por lo que resulta de crucial importancia la medición y control del pH para prevenir el crecimiento del Clostridium botulinum. 2.5. El Clostri dium botulinu m y el botulismo

Los productores de alimentos enlatados en forma doméstica así como los enlatados en forma industrial deben poner mucha atención en el control de la bacteria Clostridium botulinum (C. botulinum ) ya que esta bacteria: 1. Produce una toxina o veneno letal. 2. Es extremadamente común en los suelos y las aguas en todo el planeta. Las esporas, como ya explicamos, son una etapa de reposo en el ciclo de crecimiento del microorganismo. En el lenguaje de los microbiólogos, “Clostridium” se refiere al microorganismo que es capaz de crecer en ausencia de oxígeno y que es capaz de formar esporas, lo cual le permite sobrevivir en condiciones desfavorables tales como Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor las altas temperaturas o la presencia de agentes químicos. El término “botulinum” se

deriva del vocablo latín botulus (embutido) debido a que el microorganismo se aisló por primera vez en una salchicha o embutido. La enfermedad causada por dicha bacteria se conoce hoy como botulismo. Debido a que las esporas del C. botulinum se hayan en todo el planeta, cualquier alimento crudo puede estar contaminado. Sin embargo, la bacteria sólo produce la toxina cuando se encuentra en estado vegetativo (estado activo de crecimiento). Las esporas del C. botulinum son altamente resistentes al calor y son capaces de sobrevivir de 5 a 10 horas en agua hirviendo. Es por ello necesario aplicar más de 121°C (250°F) para destruir las esporas. Sin embargo, la toxina misma puede desactivarse a 100°C (212°F). Algunas cepas de C. botulinum utilizan proteínas y son conocidas como putrefactivas debido al olor que producen. Estas cepas crecen óptimamente entre 30 y 37°C (86 y 98°F), aunque pueden crecer también entre 10 y 38°C (50 y 100°F). Otras cepas utilizan carbohidratos tales como azúcares y almidón y no producen olor a putrefacción. Estas se asocian con ambientes marinos y toleran temperaturas de menos de 4°C (40°F) y más oxígeno que otros tipos de bacterias. Sin embargo, sus esporas no toleraran calentamiento a 100°C (212°F). 2.5.1. Efecto del pH en el crecimiento del C. botulinu m

El pH del alimento puede determinar si el C. botulinum crecerá y producirá la toxina en el producto. Investigaciones científicas han determinado que las esporas de C. botulinum no germinarán y crecerán en alimentos con pH menor que 4.8. El pH de 4.6 se ha escogido como el límite divisorio entre alimentos ácidos y alimentos de baja acidez. Se pueden encontrar esporas de C. botulinum y otras bacterias contaminantes en alimentos ácidos y de baja acidez. En alimentos ácidos y de baja acidez, el pH es un factor crítico para el control, con un pH final de equilibrio de 4.6 o menos. Por lo tanto el crecimiento y la formación de toxina no ocurrirá aun cuando las esporas del C. botulinum estén presente. 2.5.2. Efectos del pH en los tratamientos térmicos requeridos

La aplicación de temperaturas moderadas destruye todas las bacterias que no forman esporas y todas las células vegetativas en los alimentos ácidos o de baja acidez, incluyendo las células del C. botulinum en estado vegetativo. En el caso de alimentos de baja acidez, las altas temperaturas deben aplicarse para matar las esporas de C. botulinum o las esporas de otras bacterias que producen deterioro del alimento. Por lo tanto, estos alimentos deben procesarse a altas temperaturas y bajo presión. En el caso de los alimentos ácidos, las esporas del C. botulinum no son una preocupación importante porque las esporas no germinarán o crecerán a un pH menor que 4.6. Debido a que solo las células vegetativas deben destruirse, puede usarse la inmersión prolongada en agua hirviendo o el llenado en caliente (Figura 6). El Cuadro 2 describe los rangos aproximados de pH para los alimentos más comunes.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 2.6. Control de las bacterias mediante la actividad de agua (aw)

Por miles de años, los seres humanos han deshidratado frutas, vegetales y carnes como un método de preservación. Se sabe también que la adición de azúcares permite la preservación de alimentos (dulces y jaleas). También se ha practicado la preservación de carnes y pescado con sal.

Figura 6. Influencia del pH del producto en el grado de proceso térmico. Cuadro 2 — Escala de pH en alimentos más comunes. Alimento

Escala de pH

Jugo de limón Manzanas Arándano Col encurtida Jugo de naranja Piña en conserva Albaricoque Tomates en conserva Durazno en conserva Peras en conserva Bananas Remolacha en conserva Espárrago en conserva Carne Zanahoria Pimientos morrones verdes Papaya Atún Batata Cebolla Patatas blancas Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

2,0-2,6 3,1-4,0 3,1-3,3 3,3-3,6 3,3-4,2 3,4-4,1 3,3-4,0 3,5-4,7 3,7-4,2 4,0-4,1 4,5-5,2 4,9-5,8 5,0-6,0 5,1-7,0 4,9-5,2 5,2-5,9 5,2-6,0 5,2-6,1 5,3-5,6 5,3-5,8 5,4-5,9 30

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Cuadro 2 — Escala de pH en alimentos más comunes…continuación. Alimento Escala de pH

Espinaca 5,5-6,8 Frijoles 5,6-6,5 Peras en conserva 5,7-6,0 Maíz en conserva 5,9-6,5 Frijol de soya 6,0-6,6 Setas 6,0-6,7 Almejas 6,0-7,1 Salmón 6,1-6,3 Leche de coco 6,1-7,0 Leche de vaca 6,4-6,8 Garbanzos 6,4-6,8 Pollo 6,5-6,7 Huevos 7,1-7,9 Fuente: http://www.cfsan.fda.gov/ – comm/lacf-phs.html y http://www.cfsan.fda.gov/ – mow/app3a.html, Microorganismos Patógenos Transmitidos por los Alimentos y las Toxinas Naturales (“The Bad Bug Book”, FDA 1992).

Hasta aproximadamente 1940, los microbiólogos creían que el porcentaje de agua en un alimento controlaba el crecimiento microbiano. Más tarde se conoció que el factor que más influye en el crecimiento de bacterias es la disponibilidad o actividad del agua. La cantidad de agua disponible en un alimento puede medirse mediante la determinación de la actividad de agua, que se designa con la sigla a w. Cuando las substancias se disuelven, ocurre una reacción entre éstas y el agua. Parte de las moléculas de agua son capturadas por las moléculas de la substancia disuelta. Todas las substancias disueltas en agua disminuyen el número de moléculas de agua libres y de esta manera reducen la cantidad de agua disponible para el crecimiento microbiano. El grado en que la actividad de agua disminuye depende primordialmente de la concentración total de todas las substancias disueltas. Por lo tanto, si se añaden al alimento algunos ingredientes tales como azúcar, sal, pasas, frutas secas, etc., estos compiten con las bacterias por el agua disponible. La capacidad de un determinado ingrediente de combinarse con el agua influye en la cantidad de agua que queda disponible para el crecimiento de las bacterias. La mayoría de las bacterias, levaduras y hongos crecerán donde haya una actividad de agua por encima de 0,95 (ver Cuadro 3). Las esporas de C. botulinum se inhiben con niveles de 0,93 o menos de actividad de agua. En la mayoría de los alimentos con más de 0,95 será necesario disminuir la actividad de agua para inhibir la germinación de las esporas y en el caso de los alimentos cuya calidad es sensible a las altas temperaturas se deberá aplicar un calor moderado para destruir las células en estado vegetativo. Los ejemplos de alimentos preservados con este método son los quesos cremosos, la mantequilla de maní, la miel, siropes, compotas y jaleas, el pan precocido y los ingredientes para repostería (Cuadro 4). En el caso de la prevención del C. botulinum se considera que la actividad de agua de 0,85 provee un amplio margen de seguridad. La importancia de este valor se discutirá más adelante, en la próxima sección. Estudios concernientes a este microorganismo muestran que se puede obtener esterilidad comercial aplicando moderada temperatura y Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor controlando con precisión la actividad de agua de 0,93. Sin embargo, los aparatos de medición no resultan muy confiables y aún existen interrogantes en cuanto a ciertos factores que inciden en el control de la actividad de agua. Es por ello que cuando se utilice la pasteurización y el control de la actividad de agua para lograr esterilidad comercial, han de obtenerse mediciones precisas y documentación que muestren que el proceso aplicado permitió obtener esterilidad comercial. Cuadro 3 — Condiciones mínimas de actividad de agua para el crecimiento de microorganismos. Microorganismo Aw, Mínima

Hongos (e.g. Aspergillus) Levaduras C. botulinum

0.75 0.88 0.93 0.85 0.93

Staphylococcus aureus Salmonella 1 Algunas cepas 0.61 2 Algunos cepas 0.62 3 Bacteria no formadora de esporas causante de contaminación en alimentos Cuadro 4 — Actividad de agua de algunos alimentos. Alimento

Queso en crema Salsa de soya Salsa de chocolate Alimentos de humedad intermedia para mascotas Mantequilla de maní (15% humedad total) Leche en polvo (8% humedad total) Embutido de hígado Salame

Aw

0.95 0.80 0.83 0.83 0.70 0.70 0.96 0.82

Los factores críticos en el control de la actividad de agua como un método auxiliar en la preservación de los alimentos son los ingredientes del producto final y sus efectos en la capacidad de asociación con agua que se calcula como la actividad de agua. Por lo tanto, se ha de determinar con antelación la formulación del producto para controlarla cuidadosamente en el momento de envasar el mismo. Los puntos críticos para la supervisión son la preparación del producto y el logro de la temperatura requerida en el centro del producto final. La medición de la actividad de agua se utiliza para verificar la correcta formulación y se deben chequear muestras del producto tantas veces como sea necesario a fin de asegurar que se alcance la debida actividad de agua en el mismo. 2.6.1. Regulaciones relacionadas a la actividad de agua

Según la parte 113 de la normativa 221 de la FDA, un producto preservado que contenga mayor actividad de agua que 0,85 y un pH mayor que 4,6 se considera un alimento de baja acidez, y requiere que cada fabricante informe de la temperatura mínima usada en el procesamiento de estos alimentos. Si el pH del producto se ajusta a 4,6 o menos y la actividad de agua es mayor que 0,85, dicho producto queda regulado por la normativa de alimentos de baja acidez (21 CFR Parte 114) y requiere solamente un tratamiento térmico para destruir las células bacterianas en estado vegetativo. Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Los productos alimenticios ácidos o de baja acidez que contienen carne de res o de ave, en el caso de que la actividad de agua sea mayor de 0,85, se regulan mediante las normativas de enlatado de USDA-FSIS. Cualquier producto que no contiene carne, independientemente de su valor de pH, con una actividad de agua igual o menor que 0,85 no está regulado como alimento de baja acidez (21 CFR Parte 113) o alimento acidificado (21 CFR Parte 114). Sin embargo, estos productos están cubiertos por las Prácticas de Buena Manufactura del FDA (21 CFR Parte 110). Los productos que contienen carne de res o de ave con actividad de agua de 0,85 o menor no están sujetos a las normativas de enlatado de USDA-FSIS, sino que se regulan mediante otras normativas, como las regulaciones de HACCP para carnes y aves del USDA-FSIS (9 CFR Parte 417) y las normativas de saneamiento SOP (9 CFR Parte 416). 2.6.2. Métodos para determinar la actividad de agua

Existen varios métodos para determinar la actividad de agua de un alimento, pero el más utilizado es el higrómetro eléctrico que posee un sensor que mide el equilibrio de humedad relativa. Este instrumento fue diseñado por meteorólogos para calcular la humedad relativa en el aire. Existe una variedad de higrómetros disponibles de distintas fabricaciones (Figura 7). Otro instrumento que mide el punto de condensación se usa también para medir la actividad de agua (Figura 8).

Figura 7. El higrómetro se usa para medir el equilibrio de humedad relativa en el espacio superior o el agua disponible para las bacterias en el alimento (Foto cortesía de Decagon, Inc.).


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor La humedad relativa en equilibrio de un alimento envasado y cerrado dividida por 100 es la medida de la humedad disponible o la actividad del agua. La humedad relativa en equilibrio, expresada en porcentajes, y la actividad de agua, expresada en fracciones decimales, son numéricamente el mismo valor. Por ejemplo, una humedad relativa en equilibrio de 85% es equivalente a una actividad de agua de 0,85. El principio de medición puede ser diferente para los distintos instrumentos. Para determinar la actividad de agua usando un higrómetro se requiere de 30 a 90 minutos para que el vapor (humedad relativa) llegue al equilibrio. Sin embargo, nuevos higrómetros producen resultados más rápidos de solo 10-15 minutos. Un instrumento que mide el punto de condensación es más rápido (5 minutos) y mide la temperatura a la cual la condensación ocurre sobre un espejo frío en el espacio entre las cámaras. La actividad del agua se calcula al convertir las temperaturas de las muestras y el espejo a presiones de vapor y calculando la fracción. Una medición de la actividad de agua de un alimento provee información sobre los microorganismos que probablemente produzcan el deterioro del alimento y que tan cerca la actividad de agua está de los límites de seguridad del producto.

Figura 8. El instrumento para medir el punto de condensación determina el agua disponible (aw) en los alimentos al medir la cantidad de agua condensada en el espejo (Foto cortesía de Decagon, Inc.). 2.6.3. La sal y la actividad de agua

Otro método de preservación es la sal, particularmente para carnes y pescados conjuntamente con otros ingredientes. Usualmente, la sal se utiliza en conjunto con otras sustancias, tales como el nitrato, para prevenir la descomposición. En todos los casos, la sal inhibe el crecimiento de bacterias formadoras de esporas como C. botulinum, y sólo se necesitan temperaturas moderadas para eliminar las bacterias no resistentes al calor. Se conoce que existen cepas de C. botulinum que pueden crecer en un alimento que contenga un 7% de sal, pero estas cepas se inhiben en presencia de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor concentraciones de un 10% de sal, lo cual equivale a una actividad del agua de aproximadamente 0,93. A pesar de que ocurre crecimiento al 7% de sal, no se ha comprobado la presencia de toxinas en esta concentración de sal. 2.7. Deterioro de alimentos termoprocesados comercialmente estériles

El indicador mas obvio del deterioro de un alimento procesado es el abultamiento de la lata, que puede ocurrir en uno o los dos extremos (Figura 9). Esto implica que el alimento ha sufrido deterioro, posiblemente debido a la acción de bacterias formadoras de gas. Se advierte a los consumidores no usar las latas con extremos abultados, aún cuando el abultamiento no sea de origen microbiano.

Figura 9. Latas hinchadas por la producción de gas debido al crecimiento microbiano. 2.7.1. Indicios de deterioro por bacterias

La mayoría de las bacterias producen gas durante su crecimiento en un alimento enlatado, a excepción de los microorganismos esporulados, que producen ácido y agrian el alimento sin emisión gaseosa. Estas bacterias resultan en un problema económico, pero no de salud pública. La apariencia y el olor del contenido de una lata también sirve como indicación de deterioro. Si el producto está desintegrado, o se detecta turbidez en salmueras o jarabes normalmentes claros. Algunas veces puede observarse un depósito blanco en el fondo de los frascos de vidrio o en porciones del alimento, aunque no siempre esto es señal de deterioro, puesto que, en ciertos alimentos el almidón se precipita. La descomposición bacteriana de un producto enlatado puede ser causada por: 1. Deterioro incipiente (crecimiento de bacterias, levaduras u hongos antes del procesamiento). Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 2. Contaminación post-proceso (crecimiento de los microorganismos que llegaron al producto después del procesamiento). 3. Tratamiento térmico inadecuado. 4. Deterioro por bacterias termotróficas (crecimiento de bacterias que han sobrevivido el tratamiento térmico y prosperan únicamente si las condiciones ambientales producen elevadas temperaturas). 5. Deterioro por esporas resistentes a la acidez. 2.7.2. Deterioro incipiente (pre-proceso)

Los alimentos procesados se retienen a veces por demasiado tiempo entre el cerrado de la lata y el tratamiento térmico. Este retraso conduce al crecimiento de bacterias y posiblemente hongos y levaduras normalmente presentes en el alimento que conlleva a un deterioro del producto antes del procesamiento en la autoclave. Este deterioro se llama “deterioro incipiente” y puede resultar en la adulteración del producto. El grado

de deterioro depende del las condiciones de tiempo y temperatura durante el retraso. La pérdida de vacío resultante puede causar presiones excesivas internas en las latas dentro del autoclave. La acumulación de alta presión produce deformidades en los sellos que aumentan el potencial de deterioro por infiltración. Algunos envases pueden abultarse seriamente y hasta romperse. Es por ello que se deben tomar todas las medidas necesarias para evitar retrasos antes del procesamiento en autoclaves. 2.7.3. Contaminación de post-proceso (infiltración)

Se sospecha de una contaminación posterior al procesado cuando al examinar microscópicamente el alimento deteriorado o los cultivos del mismo se observa una variedad de microorganismos consistiendo de bacterias no formadoras de esporas de distintas formas y tamaños y posiblemente de hongos y levaduras. Es común encontrar latas que se abultan rápidamente. Las latas abultadas empiezan a aparecer en el almacén inmediatamente después del procesamiento y pueden aparecer por un periodo largo. Generalmente, la mezcla de microorganismos presente producirá gases dentro de la lata que provocarán abultamiento y deformaciones. Sin embargo, si hay muchas latas infladas es de esperar que también haya un porcentaje de latas de apariencia normal que también estarán contaminadas con microorganismos que no producen gas pero producen el agriado del producto. Por lo que las latas aparentemente normales deben examinarse teniendo en cuenta esta posibilidad. El fabricante ha de tomar medidas para evitar el deterioro por infiltración. La contaminación post-proceso depende de si el método de procesamiento térmico se aplica después o antes de que las latas son llenadas y selladas. Se conoce como “enlatado convencional” al método de envasar productos crudos en recipient es no estériles que son entonces procesados después de sellados a fin de obtener una esterilidad comercial. La contaminación ocurrida en productos enlatados con éste método es típicamente el resultado de sellos defectuosos, daños en el envase, o contaminación del agua de enfriamiento que permite la penetración de microorganismos en el envase después del procesamiento. Esta contaminación se conoce como “daño por infiltración”. El “procesamiento aséptico” es el resultado de la esterilización por separado del

producto y de los envases para luego llenar los envases y sellarlos en un ambiente Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor aséptico para lograr así una esterilidad comercial. En estos productos asépticamente procesados y envasados, la contaminación representa un problema mucho más complicado que una simple infiltración. La aparición de una mezcla de microorganismos en productos asépticamente procesados que están deteriorados es el resultado de más que un defecto del envase. Por ejemplo, el deterioro puede resultar debido a fallas en el proceso de esterilización o debido a que el llenador pose una falla en una válvula de llenado, o tiene sellos defectuosos o filtros dañados. La esterilidad del aire que se usa en el llenador o el tanque de vaciado pueden alterarse debido a la mala instalación o una falla del filtro de aire. Es decir, el sistema procesador, el tanque de vaciado o la máquina llenadora pueden tener problemas, pero no el envase. Asimismo, el deterioro puede haber sido causado por la inadecuada esterilización de la maquinaria antes de comenzar el proceso, lo cual no esta asociado a una infiltración de los envases. El término “daño por infiltración” no es por lo tanto aplicable en el caso de

contaminación post-proceso de productos procesados asépticamente. 2.7.4. Tratamiento térmico inadecuado

Un proceso térmico inadecuado significa que el producto no recibió un tratamiento adecuado para destruir todos los microorganismos de importancia en salud pública o los microorganismos que pueden descomponer el alimento bajo condiciones normales de almacenamiento y distribución. El grado de insuficiencia del tratamiento térmico pude variar de un subproceso severo, cuando el producto, el envase o los dos han recibido un tratamiento muy corto, a un subproceso muy ligero, cuando el proceso se ha provisto pero no para lograr una esterilidad comercial. La evaluación microscópica de productos que sufrieron un subproceso severo revela una mezcla de microorganismos que es muy similar a los microorganismos que están involucrados en las contaminaciones de post procesado. El examen de productos que sufrieron un subproceso ligero revela la aparición de cultivos puros o cultivos más resistentes. En este último caso, el subproceso destruye los microorganismos más susceptibles y deja los más resistentes que luego se multiplican y deterioran el producto. Cuando el proceso térmico es inadecuado para destruir al C. botulinum, la situación creada es muy delicada, pues afecta la salud del consumidor. Un proceso térmico puede ser inadecuado a causa de diferentes motivos, entre los que se encuentran: 1. El no usar correctamente el tiempo y la temperatura establecidos para el tamaño de envase en particular. 2. El no establecer el proceso térmico adecuadamente. 3. El no aplicar el proceso térmico establecido debido a una falla mecánica o error humano del personal a cargo de la operación. 2.7.5. Deterioro por microorganismos termotróficos

Mientras más alta es la temperatura a la cual crece un microorganismo formador de espora, mayor será la resistencia al calor de dichas esporas. Por lo tanto, las esporas de microorganismos termotróficos usualmente tienen una resistencia al calor mayor que las de un microorganismo mesotrófico.


37

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Las esporas de las bacterias termotróficas son tan resistentes al calor que los procesos térmicos diseñados para exterminar microorganismos mesotróficos no resultan adecuados para prevenir el deterioro termotrófico, a menos que el producto se enfríe apropiadamente y se mantenga a una temperatura por debajo de la cual crecen las bacterias termotróficas. Los enlatadores de guisantes, maíz, ciertos alimentos para bebés y carnes (productos todos en los cuales el deterioro termotrófico es posible) tienen que ejercer sumo cuidado para evitar la contaminación con bacterias termotróficas. Es por ello que los procesadores deberán utilizar ingredientes (azúcar, almidón y especias) garantizados por el proveedor como libres de bacterias termotróficas. Cuando la temperatura es favorable, las bacterias termotróficas pueden crecer incluso en la maquinaria en contacto con el alimento. Por consiguiente, los productos deben siempre mantenerse a más de 77°C (170°F) o a temperatura ambiente para evitar el crecimiento. Debe ponerse especial cuidado en enfriar rápidamente los productos a menos de 41°C (105°F) después del proceso y almacenar los enlatados por debajo de 35°C (95°F). 2.7.6. Deterioro debido a bacterias acido-tolerantes formadoras de esporas

Como analizáramos anteriormente, los alimentos acidificados (pH ≤ 4.6) no necesitan un tratamiento térmico severo para garantizar la seguridad del producto. Puede que cierta variedad de esporas ácido-tolerantes sobrevivan. Se ha diseñado un tratamiento térmico para alimentos acidificados que inactiva dichos microorganismos formado-res de esporas. Si las bacterias sobreviven en el producto, se deberá a la existencia de una severa contaminación pre-proceso. En otras ocasiones, el procesamiento defectuoso o desviaciones en el mismo permiten la sobrevivencia de esporas resistentes al ácido, tales como bacterias anaeróbicas productoras de ácido butírico y esporas acidúricas de bacterias que causan deterioro amargo sin desprendimientos gaseosos. El Clostridium butyricum y el Clostridium pasteurianum son bacterias anaeróbicas, mesotróficas, formadoras de esporas que producen ácido butírico. Las esporas son capaces de germinar y crecer en valores de pH ácidos entre 4,2 y 4,4, por lo que son de alta incidencia en el deterioro de alimentos acidificados, particularmente con pH más alto que 4,2. Este deterioro puede eliminarse ya sea disminuyendo el pH del producto por debajo de 4,2; o incrementando el tratamiento térmico. El crecimiento de estos microorganismos en los alimentos se caracteriza por el olor butírico y grandes cantidades de dióxido de carbono e hidrógeno. Ocasionalmente algunas cepas crecen en alimentos con un pH menor que 4,2. Cuando estas cepas se encuentran en grandes cantidades, el tratamiento térmico resulta inadecuado y se puede dañar el producto. Se produjo un deterioro inusual de frijoles chinos enlatados en los que se aisló microorganismos tolerantes a la acidez formadores de esporas. Estos microorganismos fueron capaces de crecer en gran número a un pH de 3,7. Las bacterias causantes del deterioro amargo sin desprendimientos gaseosos son anaerobias facultativas formadoras de esporas que agrian los alimentos pero raramente emiten gases. Los extremos de las latas permanecen planos y el producto dañado tiene un sabor raro, agrio, descripto a veces como “medicinal” o “fenólico”. De ahí el término en inglés “flat-sour”. Estos microorganismos ( Bacillus coagulans) han producido el

deterioro de alimentos ácidos como los productos de tomate. Se necesita asegurar que el tratamiento térmico sea el adecuado para inactivar un número de esporas no emisoras de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor gas. La carga de bacterias “flat -sour” se determina mediante el análisis bacteriológico.

Para un adecuado proceso de control resulta decisivo y ventajoso determinar cuál es el ingrediente que contribuye a la formación de esporas. Por ejemplo, el manejo apropiado de frutas y vegetales (lavado y separación antes del uso) reduce la producción de esporas. Los Alicyclobacillus spp., tales como el A. acidoterrestris y el A. acidocaldarius , son bacterias formadoras de esporas que no producen gas y pueden crecer en pH de 3 dentro de jugos y otras bebidas envasadas. El deterioro por Alicyclobacillus se ha reportado en una variedad de jugos y bebidas, en particular en los productos con jugo de manzana, especialmente cuando los envases permiten la transmisión de oxígeno. Este daño se puede minimizar de varias maneras, como por ejemplo aplicando un tratamiento térmico intensivo a temperaturas mayores que 100°C (212°F), garantizando la correcta formulación, limitando la disponibilidad de oxígeno, o enfriando rápidamente los productos terminados. Algunas bacterias formadoras de esporas que no producen gas, tales como el Bacillus stearothermophilus, son termotróficas. En estos casos, el enfriamiento apropiado después del tratamiento térmico y el evitar el almacenaje del producto a altas temperaturas son esenciales debido a que el tratamiento térmico no es suficiente para destruir estas esporas. Afortunadamente, la mayoría de las operaciones de procesamiento de alimentos no proveen condiciones anaerobias, por lo tanto es raro observar acumulaciones de bacterias resistentes al ácido. No obstante, cuando existen líneas de producción con extremos cerrados las esporas se acumulan en esos extremos y producen una descomposición de sub-procesado cuando contaminan el alimento. Es por ello que los extremos cerrados se deben evitar en las líneas de producción. El padrón de deterioro dentro de los lotes afectados es frecuentemente esporádico. Esto es más típico del deterioro de post-procesado debido a una infiltración que el padrón esperado debido a los formadores de esporas que sobreviven un proceso térmico. La documentación del tratamiento térmico y de otros parámetros usualmente no son indicativos de irregularidades, y en la mayoría de los casos sólo se puede identificar el problema mediante investigación en la planta procesadora, mediante el análisis bacteriológico, la ausencia de infiltraciones demostrables y los defectos en los envases dañados. El deterioro causado por las bacterias termotróficas anaerobia Clostridium thermosaccharolyticum se ha identificado en productos de tomates enlatados con un pH de 4,1 a 4,5. El tratamiento térmico para alimentos de baja acidez no es suficiente para destruir las esporas del microorganismo, sin embargo no se formaran esporas cuando se enfría el producto apropiadamente y se almacena por debajo de 35°C (95°F). 2.7.7. Otras causas de deterioro

El deterioro bacteriano es la causa más frecuente de las condiciones anormales en los alimentos enlatados. Sin embargo, las otras causas de deterioro son también importantes. Algunos de los daños no producidos por las bacterias son: 1. Reacciones químicas entre componentes del alimento y las superficies metálicas internas del envase, que pueden producir gas de hidrógeno. La acumulación de gas puede disipar el vacío en el envase y causar que éste se abulte. Estas Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor deformaciones no son importantes desde el punto de vista de salud pública, pero se recomienda a los consumidores rechazar envases con extremos inflados ya que el consumidor no puede distinguir entre un abultamiento por hidrógeno o el abultamiento causado por el crecimiento microbiano. 2. La reacción química de los ácidos del alimento con las latas metálicas puede progresar hasta causar perforaciones microscópicas que permiten la infiltración de bacterias que a su vez producen un deterioro secundario. 3. Llenado de los envases por encima de la capacidad adecuada, particularmente en los envases pequeños o cuyas tapas poseen un área mayor en proporción a la altura. El sellado de las latas sin vacío o con insuficiente tratamiento de vacío puede resultar en el deterioro. Cuando el producto en estas condiciones se transporta a lugares de gran altitud geográfica, las latas se abultan. Las latas con estas características se denominan “flippers” en inglés.


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Unidad Académica 3 Principios Básicos del Procesamiento Térmico

3.1. Introducción 3.2. Relaciones de tiempo de muerte térmica 3.3. Letalidad del proceso y el valor de esterilización 3.3.1. Tiempo a temperatura de proceso isotérmico 3.3.2. Letalidad del proceso 3.3.3. Especificación de la letalidad proceso 3.4. Consideraciones de transferencia de calor 3.4.1. Transferencia de calor transitoria (no isotérmica) 3.4.2. Modos de transferencia de calor 3.4.3. Medición de la penetración de calor 3.4.4. Curvas de penetración de calor y difusividad térmica 3.5. Diseño de proceso 3.6. Modelo matemático para la transferencia de calor 3.7. Desviaciones de proceso 3.8. Corrección en línea de desviaciones del proceso 3.9. Conclusiones


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PRINCIPIOS BÁSICOS DEL PROCESAMIENTO TÉRMICO A la leyenda viva “Dr. Arthur A. Teixeira” Científico sencillo y humilde, para mi un investigador de lectura obligada en el tema de simulación, optimización y control de operaciones de procesamiento térmico de alimentos, cuyas investigaciones se han convertido en la clave del diseño de procesos y de sistemas de control en la industria de alimentos envasados. El Dr. Arthur A. Teixeira puede describirse con una mentalidad mecánica desde una edad muy temprana. Su padre era un trabajador de fábrica y el Dr. Arthur A. Teixeira creció alrededor de ingenieros mecánicos. Construyó vehículos de motor terrestre “karts” y cualquier otro artefacto que

pudiera imaginar. Él podría haber terminado como ingeniero mecánico, sino fuera por la oportunidad proporcionada por el profesor de ingeniería agrícola Dr. Charles Raymond Stumbo quien estaba buscando a un estudiante para trabajar en los problemas de transferencia de calor. Otro aspecto de esta serendipia fue la llegada de la computadora. Hasta ese momento, los problemas de transferencia de calor se resolvían analíticamente en absoluto, pero como lo hizo en tantos otros campos, la capacidad de cálculo del computador puso nuevos tipos de soluciones numéricas en manos de los científicos y técnicos. El Dr. Arthur A. Teixeira es un ingeniero de alimentos. Tan simple como esta afirmación pues en su obra incluye los muchos aspectos de la ingeniería, la física, la química y la microbiología aplicada a la amplia gama de productos y procesos que ha dirigido en su carrera y los muchos millones de personas que su obra ha afectado por asegurar a los consumidores de alimentos seguros y económicos. El Dr. Arthur A. Teixeira da una definición útil de su obra asegurarse de que los fabricantes siempre terminan con un proceso seguro pero conservando la calidad y con un costo efectivo. Para considerar el ámbito de la ingeniería de alimentos, visite su tienda o centro comercial preferido y mire como muchos de los productos se encuentran en un frasco, una lata, una bolsa o una caja. Ello será un buen número, pero tome por ejemplo una lata de duraznos o un frasco de algarrobina, es el resultado de muchos proyectos de ingeniería. El Dr. Arthur A. Teixeira se centra en la calidad y seguridad del producto. El fabricante debe ser capaz de garantizar que el alimento está libre de microorganismos dañinos, pero los procesos que aseguren la destrucción de los microorganismos tienden a degradar la calidad de los alimentos. Así, un equilibrio debe buscarse y llegar a éste exige un conocimiento profundo de las propiedades químicas y físicas específicas de cada producto. Esa información puede ser fríamente científica, medida en una serie de dispositivos ingeniosos. Pero al final del proceso, alguien va a consumir el producto y el fabricante quiere que sea atractivo y delicioso. Así que no es tanto la ciencia sino el arte en la profesión del Dr. Arthur A. Teixeira . El Dr. Arthur A. Teixeira sentó las bases y creó algunas de las herramientas de cálculo estándar en ingeniería de alimentos. Su software es crítico, cuando un proceso “se desvía” el fabricante debe decidir si el alimento debe almacenarse o destruirse por razones de seguridad alimentaria. Mucho está en juego en estas situaciones el costo de los productos alimenticios, el tiempo de inactividad de las instalaciones de procesamiento, la pérdida de valor del producto y las posibles responsabilidades. Actuar a tiempo es importante, ya que el alimento no puede esperar a que el comité tome una decisión. El software del Dr. Arthur A. Teixeira permite a los fabricantes evaluar de forma fiable el impacto del proceso de “desviaciones” y tomar las decisiones apropiadas con rapidez.

Tomado de la Comunicación electrónica: Miranda – Zamora, W.R. (2014). “Uniendo Retazos de un Científico Sencillo…(2)”. Dr. William Rolando Miranda – Zamora Departamento Académico de Agroindustria e Industrias Alimentarias Universidad Nacional de Piura Campus Universitario s/n Caserío Miraflores Castilla – Piura – Perú [email protected]


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PRI NCI PI OS BÁSI COS UNIDAD DEL ACAD ÉM I CA PROCESAMIENTO TÉRM I CO 3.1. Introducción

El tratamiento térmico de los alimentos envasados ha sido uno de los métodos más utilizados de la conservación de alimentos durante el siglo XX y ha contribuido de manera significativa al bienestar nutricional de gran parte de la población mundial. El tratamiento térmico se compone de envases de alimentos calentados en autoclaves a presión a temperaturas especificadas para las longitudes de los plazos reglamentarios. Estos tiempos de proceso se calculan sobre la base de la consecución de la inactivación bacteriana suficiente en cada envase para cumplir con las normas de salud pública y para asegurar que la probabilidad de deterioro será menor que algún mínimo. Asociado con cada proceso térmico hay siempre cierta degradación de las vitaminas sensibles al calor y otros factores de calidad que no es deseable. Debido a estos factores de calidad y seguridad, se tiene mucho cuidado en el cálculo de estos tiempos de proceso y en el control del tiempo y la temperatura durante el proceso para evitar ya sea el insuficiente o excesivo procesamiento. Las consideraciones de transferencia de calor que rigen los perfiles de temperatura alcanzados dentro del envase de alimento son factores críticos en la determinación de los requisitos de tiempo y temperatura para la esterilización. Esta unidad académica se centrará en el desarrollo y aplicación de modelos de transferencia de calor deterministas capaces de predecir con precisión la temperatura interna del producto en respuesta a replicar las condiciones de operación y el acoplamiento de estos con modelos deterministas que describen matemáticamente la cinética de inactivación térmica de las esporas bacterianas y los factores de calidad de los alimentos para la simulación de procesos térmicos. 3.2. Relaciones de tiempo de muerte térmica

Se requiere una comprensión de los dos cuerpos distintos de conocimiento para apreciar los principios básicos que intervienen en el cálculo del proceso térmico. El primero de ellos es una comprensión de la cinética de inactivación térmica (resistencia al calor) de los microorganismos que causan deterioro en los alimentos. El segundo cuerpo de conocimiento es una comprensión de las consideraciones de transferencia de calor que rigen los perfiles de temperatura alcanzados en el envase de alimento durante el proceso, comúnmente conocida en la industria conservera como la penetración de calor. La Figura 3.1 ilustra conceptualmente la interdependencia entre la cinética de inactivación térmica de las esporas bacterianas y las consideraciones de transferencia de calor en el producto alimenticio. La inactivación térmica de las bacterias en general, sigue una cinética de primer orden y puede ser descrita por la reducción logarítmica de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor la concentración de las esporas bacterianas con el tiempo para cualquier temperatura letal dada, como se muestra en la familia superior de curvas en la Figura 3.1. Estos son conocidos como curvas de sobrevivencia. El tiempo de reducción decimal, D, se expresa como el tiempo requerido para lograr la reducción de un ciclo logarítmico en la concentración, C. Como se sugiere por la familia de curvas que se muestran, D es dependiente de la temperatura y varía logarítmicamente con la temperatura, como se muestra en el segundo gráfico. Esto se conoce como una curva de tiempo de muerte térmica y es esencialmente una línea recta sobre la gama de temperaturas empleadas en la esterilización de alimentos. La pendiente de la curva que describe esta relación se expresa como la diferencia de temperatura, z, necesario para que la curva atraviese un ciclo logarítmico. La temperatura en el producto alimenticio, a su vez, es una función de la temperatura de retorta (T R ), la temperatura del producto inicial (T I), la ubicación dentro del envase (x), la difusividad térmica del producto (α) y el tiempo (t) en el caso

de un alimento calentado por conducción. C O

log

T 1

C

t

T ref C = C 0 exp ( D/ln10 )

1 D

T 2

Tiempo (t)

log

1 z

D

T ref –T

D

=Dref exp (

T

= f (T R,T I, x ,α ,t )

)

z/ln10

Temperatura (T) T R X 1 X 2

T T I

f

(α)

X 3

Tiempo (t) Figura 1.1. El tiempo y la dependencia de la temperatura de la cinética de inactivación térmica de las esporas bacterianas en el tratamiento térmico de los alimentos enlatados.

Por lo tanto, la concentración de las esporas bacterianas viables durante el procesamiento térmico disminuye con el tiempo de acuerdo con la cinética de inactivación, que son una función de la temperatura. La temperatura, a su vez, es una función de las consideraciones de transferencia de calor que implican tiempo, ubicación espacial, propiedades térmicas y físicas combinadas (difusividad térmica) y las Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor condiciones iniciales y de contorno (temperatura inicial del producto y de la temperatura de retorta, respectivamente). 3.3. Letalidad del proceso y el valor de esterilización 3.3.1. Tiempo a temperatura de proceso isotérmico

Una vez que la curva de tiempo de muerte térmica (TDT) (Figura 3.2) se ha establecido para un microorganismo dado, que puede ser utilizado para calcular los requisitos de tiempo y temperatura para cualquier proceso térmico idealizada (proceso isotérmico) en el que el producto se calienta instantáneamente y de manera uniforme a la temperatura de tratamiento, se mantiene así durante un tiempo determinado y del mismo modo se enfría al instante y de manera uniforme. Por ejemplo, supongamos que se requiere un proceso que permite lograr una reducción de seis ciclos logarítmicos en la población de esporas bacterianas cuya cinética es descrita por la curva de TDT en la Figura 3.2 a una temperatura específica de proceso (T). El valor D a esa temperatura se toma de la curva y simplemente multiplica por el número de ciclos logarítmicos de reducción de esporas requerido para determinar el tiempo de proceso necesario. 100

10

D r ol a

z V

0,1

0,01 220

230

240

250

260

270

280

Temperatura (°F)

Figura 3.2. Curva de tiempo de destrucción térmica (TDT) que muestra la dependencia de la temperatura del valor-D dado por el cambio de temperatura (z) que se requiere para cambiar diez veces el valor D.


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Dado que la curva de TDT es una línea recta en un gráfico semilogarítmico, todo lo que se necesita para especificar una curva tal es su pendiente y un punto de referencia en la curva. La pendiente de la curva se especifica mediante el valor z y el punto de referencia es el valor D a una temperatura de referencia. Para la esterilización de los alimentos de baja acidez (pH por encima de 4,5), en la que las esporas termófilas de relativamente alta resistencia al calor son motivo de preocupación, esta temperatura de referencia se toma generalmente 121,1°C (250°F). Para alimentos altos en ácido o procesos de pasteurización en el que los microorganismos de resistencia al calor de interés son mucho más bajas, se utilizan temperaturas de referencia inferior, tal como 100°C o 66°C. En la especificación de un valor D de referencia para un microorganismo, la temperatura de referencia se muestra como un subíndice, tal como D 121,1. Los rangos de los valores D para diferentes clasificaciones de las bacterias se dan en el Cuadro 3.1 y los valores D121,1°C (250°F) de microorganismos específicos en los productos alimenticios seleccionados se presentan en el Cuadro 3.2. Cuadro 3.1. Valores D para diferentes clasificaciones de las bacterias transmitidas por los alimentos Grupos bacterianos valor D D250 Poco ácidos (de baja acidez) y alimentos semiácidos (pH superior a 4,5) Termófilos Grupo “Flat-sour” ( Bacillus stearothermophilus) 4,0 – 5,0 Grupo deterioro-gaseoso ( Clostridium 3,0 – 4,0 thermosaccharolyticum) Hediondos a sulfuro ( Clostridium nigrificans) 2,0 – 3,0 Mesófilos

Anaerobios putrefactivos C. botulinum (tipos A y B) Grupo C. sporogenes (incluyendo P.A. 3679)

0,10 – 1,20 0,10 – 1,5

Alimentos ácidos (pH 4,0 – 4,5) Termófilos Bacillus coagulans (mesófilos facultativos) Mesófilos Bacillus polymyxa y Bacillus macerans Anaerobios butíricos ( Clostridium pasteurianum) Alimentos de alta acidez (bacterias mesófilas sin producción de esporas) Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., levaduras y mohos

0,01 – 0,07 D212 0,10 – 0,50 0,10 – 0,50 D150 0,50 – 1,00

Fuente: Stumbo (1965). Cuadro 3.2. Comparación de valores D121,1°C (250°F) de microorganismos específicos en sustratos alimenticios seleccionados Microorganismo Substrato Método TDT D250 (minutos)

P.A. 3679 P.A. 3679 P.A. 3679 P.A. 3679 F.S. 5010

Maíz estilo crema Maíz de grano entero Maíz de grano entero (réplica) Buffer de fosfato Maíz estilo crema

Lata Lata Lata Tubo Lata


2,47 1,52 1,82 1,31 1,14

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Cuadro 3.2. Comparación de valores D121,1°C (250°F) de microorganismos específicos en sustratos alimenticios seleccionados…continuación. Microorganismo Substrato Método TDT D250 (minutos)

F.S. 5010 Maíz de grano entero F.S. 1518 Buffer de fosfato F.S. 617 Leche entera F.S. 617 Leche evaporada Fuente: Stumbo, 1965. PA, anaerobio putrefactivo; FS, espora facultativa.

Lata Tubo Lata Tubo

1,35 3,01 0,84 1,05

3.3.2. Letalidad del proceso

Los ejemplos de los cálculos del proceso realizadas en la demostración del apartado anterior, para un valor z dado, la especificación de cualquier punto de la línea recta trazada paralela a la curva de TDT, intersecta el tiempo de proceso a la temperatura del proceso es suficiente para especificar el valor de esterilización de cualquier combinación de tiempo y temperatura de procesos en esa línea. El punto de referencia que se ha adoptado para este propósito es el tiempo en minutos a la temperatura de referencia de 121,1°C o el punto en el tiempo donde la curva de proceso equivalente a cruzar el eje vertical trazado a 121,1°C y se conoce como el valor F para el proceso. Esto se refiere a menudo como la letalidad de un proceso y ya que se expresa en minutos a 121,1°C, la unidad de letalidad es de 1 minuto a 121,1°C. Por lo tanto, si un proceso se le asigna un valor F de 6, significa que la letalidad integrada lograda por cualquier historia de tiempo-temperatura empleado por el proceso debe ser equivalente a la letalidad lograda a partir de 6 minutos de exposición a 121,1°C, suponiendo un proceso idealizado de calentamiento instantáneo de 121,1°C seguido de enfriamiento instantáneo después de la retención de 6 minutos. Todo lo que se requiere para especificar el valor F es determinar cuantos minutos se requerirán a 121,1°C para alcanzar el nivel especificado de la reducción del ciclo logarítmico. El valor D121,1°C se utiliza para este propósito, ya que representa el número de los minutos a 121,1°C para llevar a cabo la reducción de un ciclo logarítmico. Por lo tanto, el valor F es igual a D 121,1°C multiplicado por el valor de esterilización (número de ciclos logarítmicos necesarios en la reducción de la población). F  D121,1 C (log a  log b) 

[3.1]

donde a es el número inicial de esporas viables y b es el número final de esporas viables (o sobrevivientes). En el ejemplo dado anteriormente, asumir el valor, D 121,1°C = 1,5 minutos, se toma de la curva de TDT en la Figura 3.2 y se multiplican por el valor de esterilización requerido (seis ciclos logarítmicos). Por lo tanto F = 1,5 (6) = 9 minutos y la letalidad para este proceso se ha especificado como F = 9 minutos. Esta es normalmente la manera en la que se especifica un proceso térmico para el posterior cálculo de un tiempo de proceso a otra temperatura. De esta manera, la información privada respecto a los microorganismos específicos de interés y/o los números de la reducción de los ciclos logarítmicos pueden ser confidenciales y se sustituye por el valor F (letalidad) como una especificación del proceso. Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Tenga en cuenta también que este valor F sirve como punto de referencia para especificar la curva de diseño de proceso equivalente discutido anteriormente. Trazando un punto a los 9 minutos en la línea vertical que pasa por 121,1°C en un gráfico de TDT y trazando una línea paralela a la curva de TDT a través de este punto, la línea pasará a través de todas las combinaciones de tiempo y temperatura de procesado que ofrecen el mismo nivel de letalidad. La ecuación para esta línea recta se puede utilizar para calcular el tiempo de proceso (t) en alguna otra temperatura constante (T) cuando se especifica F. (T 121,1)

F  10

z



t

[3.2]

La siguiente ecuación se convierte en importante en el caso general, cuando la temperatura del producto varía con el tiempo durante un proceso y el valor F emitido por el proceso debe ser integrado matemáticamente, t

F  10

T 121,1 z

 dt

[3.3]

0

En este punto las ecuaciones [3.1] y [3.3] se han presentado como dos expresiones matemáticas claramente diferentes para el proceso de letalidad, F. Es más importante la distinción entre estas dos expresiones para que se entienda claramente. La ecuación [3.1] se utiliza para determinar el valor F que se debe especificar para un proceso y que se determina a partir de la reducción del ciclo logarítmico en la población de esporas necesaria del proceso (valor de esterilización) teniendo en cuenta factores relacionados con la seguridad y salubridad de los alimentos procesados, como se discute en la siguiente sección. La ecuación [3.3] se utiliza para determinar el valor F emitido por un proceso como un resultado de la historia tiempo-temperatura experimentada por el producto durante el proceso. Otra observación es que la ecuación [3.1] hace uso del valor D121,1°C en la conversión de ciclos logarítmicos de reducción en minutos a 121,1°C , mientras que la ecuación [3.3] hace uso del valor z en la conversión de la historia tiempo-temperatura en minutos a 121,1°C. Debido a que un valor z de 10°C (18°F) es tan comúnmente observado o se asume para los cálculos de procesamiento térmico, los valores F calculados con un valor z de 10°C y temperatura de referencia de 121,1°C se designan como F 0. 3.3.3. Especificación de la letalidad proceso

Establecer el valor de esterilización que se especifique para un alimento enlatado de baja acidez es, sin duda, una de las responsabilidades más importantes asumidas por un científico o ingeniero de alimentos que actúa en nombre de una empresa de alimentos en el papel de una autoridad competente del proceso térmico. En esta sección describimos brevemente los pasos que normalmente se adoptan para tal efecto (Stumbo, 1965). Hay dos tipos de poblaciones de bacterias de interés en la esterilización de alimentos enlatados. En primer lugar está la población de microorganismos de importancia para la salud pública. En los alimentos de baja acidez con pH superior a 4,5, el microorganismo de interés es el Clostridium botulinum. El nivel seguro de probabilidad de sobrevivencia que ha sido aceptado para este microorganismo es de 10 12 o un sobreviviente de 10 12 latas procesadas. Esto se conoce como el concepto 12-D para la cocción botulínica. Dado que el valor D 121,1°C más alto conocido para este Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor microorganismo en los alimentos es 0,21 minutos, el valor mínimo para una letalidad de cocción botulínica suponiendo una carga de esporas inicial de un microorganismo por envase es F  0,21  12  2,52 min

En esencia, todos los alimentos de baja acidez se procesan mucho más allá del mínimo de cocción botulínica con el fin de evitar las pérdidas económicas por las bacterias de mucha mayor resistencia al calor (el segundo tipo) que causan deterioro. Para estos microorganismos, niveles aceptables de probabilidad de deterioro suelen ser dictados por la comercialización y/o consideraciones económicas. La mayoría de las compañías de alimentos aceptan una probabilidad de deterioro de 10 a partir de mesófilos formadores de esporas (microorganismos que pueden crecer y echar a perder los alimentos a temperatura ambiente, pero no son patógenas). El microorganismo más frecuentemente utilizado para caracterizar esta clasificación de deterioro de los alimentos es una cepa de Clostridium sporogenes, un anaerobio putrefactivo (PA), conocido como PA 3679, con un valor D 121,1°C máximo de 1 minuto. Por lo tanto, un valor mínimo de letalidad por una cocción de deterioro mesófilo suponiendo una carga de una espora inicial por envase es -5

F  1,00  5  5,00 min

Cuando el deterioro termófilo es un problema, los procesos más graves pueden ser necesarios debido a la alta resistencia al calor de las esporas termófilas. Afortunadamente, la mayoría de los termófilos no crecen fácilmente a temperatura ambiente y requieren incubación a temperaturas de almacenamiento inusualmente altos (45-55°C) para causar deterioro de los alimentos. En general, los alimentos con no más de 1% de deterioro (probabilidad de deterioro 10 -2) tras la incubación después de la transformación, se reunirán el aceptado 10 -5 de probabilidad de deterioro en el comercio normal. Por lo tanto, cuando el deterioro termófilo es una preocupación, el valor objetivo para el número final de sobrevivientes se toma generalmente como 10 -2 y la carga inicial de esporas necesita ser determinado a través de análisis microbiológico debido a la contaminación a partir de estos microorganismos varía en gran medida. Para una situación con una carga inicial de esporas termófilas de 100 esporas por lata y un valor D121,1°C promedio de 4,00, la letalidad proceso requerido sería F



4,00(log 100



log 0,01)



4,00(4) 16 min 

Los actos procesales anteriores son sólo directrices preliminares para condiciones medias y muchas veces es necesario ajustar hacia arriba o hacia abajo en vista de los tipos de bacterias contaminantes que pueden estar presentes, el nivel inicial de contaminación o carga biológica de los tipos más resistentes, el riesgo deterioro aceptado y la naturaleza del producto alimenticio desde el punto de vista de su capacidad de apoyar el crecimiento de los diferentes tipos de bacterias contaminantes que se encuentran. El Cuadro 1.3 contiene un listado de letalidades proceso (F 0) especificado para el procesamiento comercial de alimentos enlatados seleccionados (NFPA, 1980).


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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Cuadro 3.3. Valores de letalidad (F 0) para la esterilización comercial de alimentos enlatados seleccionados Producto Tamaños de lata F0 (minutos)

Espárragos 2 Judías verdes, empacadas No. 2 3,5 en salmuera No. 10 3,5 Pollo, deshuesado Todo 6 – 8 Maíz, grano entero, Todo 9 empacado en salmuera No. 10 15 Maíz estilo crema No. 2 5 – 6 No. 10 2,3 Comida para perros No. 2 12 No. 10 6 Caballa en salmuera 301 × 411 2,9 – 3,6 Pan de carne No. 2 6 Guisantes, empacados en No. 2 7 salmuera No. 10 11 Salchicha, Viena, en Varios 5 salmuera Chili con carne Varios 6 Fuente: López (1987); cortesía de la Compañía Enlatadora Americana, Inc. 3.4. Consideraciones de transferencia de calor 3.4.1. Transferencia de calor transitoria (no isotérmica)

En las secciones anteriores sobre la cinética de inactivación térmica de las esporas bacterianas, se hizo referencia frecuente a un proceso idealizado en el que se supuso que el producto alimenticio se calentó instantáneamente a una temperatura letal, luego se enfrió instantáneamente a la temperatura en el tiempo de proceso requerido. Estos procesos idealizadas son importantes para obtener una comprensión de cómo los datos cinéticos se pueden utilizar directamente para determinar el tiempo de proceso a cualquier temperatura letal dada. Hay, de hecho, los procesos de esterilización comerciales para los que este método de determinación del tiempo de proceso es aplicable. Estos son de alta temperatura corto tiempo (HTST) de pasteurización o ultra alta temperatura (UHT) los procesos de esterilización de los alimentos líquidos que hacen uso de intercambiadores de calor de flujo continuo y/o calentadores de inyección de vapor y de flash para cámaras de enfriamiento calentamiento y enfriamiento instantáneo. El tiempo de proceso se lleva a cabo a través del tiempo de residencia en el tubo de retención entre el calentador y el enfriador cuando el producto fluye continuamente a través del sistema. Este método de esterilización del producto se utiliza con mayor frecuencia con los sistemas de envasado aséptico. En el tratamiento térmico tradicional de la mayoría de los alimentos enlatados, la situación es bastante diferente a los procesos idealizados descritos anteriormente. Las latas están llenas de producto no estéril relativamente fresco, sellados después de la evacuación del espacio de cabeza y se colocan en autoclaves a vapor, que se aplican Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor calor al exterior de la pared de la lata. La temperatura del producto puede entonces sólo responder de acuerdo con las leyes físicas de la transferencia de calor y se elevará gradualmente en un esfuerzo para acercarse a la temperatura en la pared seguido de una caída gradual en respuesta al enfriamiento en la pared. En esta situación, la letalidad suministrada por el proceso será el resultado de la historia tiempo-temperatura transitoria experimentada por el producto en la ubicación más lenta de calentamiento en la lata, lo que es normalmente el centro geométrico. Por lo tanto, la capacidad de determinar esta historia de tiempo-temperatura con precisión es de vital importancia en el cálculo de los procesos térmicos. En esta sección se revisan los distintos modos de transferencia de calor que se encuentran en los alimentos enlatados y se describen los métodos de medición de la temperatura y del registro y cómo se tratan estos datos para su posterior utilización en el cálculo del proceso térmico. 3.4.2. Modos de transferencia de calor

Los alimentos sólidos envasados en los que no hay ningún movimiento esencial del producto dentro del envase, incluso cuando se agita, el calor en gran parte es por la transferencia de calor por conducción. Debido a la falta de movimiento del producto y la baja difusividad térmica de la mayoría de los alimentos, estos productos se calientan muy lentamente y exhiben una distribución de temperatura no uniforme durante el calentamiento y el enfriamiento causado por el gradiente de temperatura que se crea entre la pared de la lata y el centro geométrico. Para los productos calentados por conducción, el centro geométrico es el punto de calentamiento más lento en el envase. Por lo tanto, los cálculos de procesos se basan en la historia de la temperatura experimentada por el producto en el centro de la lata. Los alimentos sólidos envasados como conservas de pescado y carnes, alimentos para bebés, alimentos para mascotas, calabaza y calabacín entran en esta categoría. Estos alimentos se procesan generalmente en cocinadores estáticos o en retortas hidrostáticas continuas que no proporcionan agitación mecánica. Productos líquidos de cuerpo delgado envasados en latas, tales como, leche, sopas, salsas y jugos se calentarán por la transferencia de calor por convección natural o forzada, dependiendo del uso de la agitación mecánica durante el procesamiento. En retortas de cocción estáticas que no proporcionan la agitación, el movimiento del producto seguirá ocurriendo en el interior del envase debido a las corrientes de convección naturales inducidos por las diferencias de densidad entre el líquido más caliente cerca de la pared de la lata caliente y el líquido más frío cerca del centro de la lata (Datta y Teixeira, 1987, 1988). La velocidad de transferencia de calor en casi todos los productos calentados por convección se puede aumentar sustancialmente mediante la inducción de convección forzada a través de la agitación mecánica. Por esta razón, la mayoría de los alimentos calentados por convección se procesan en retortas con agitación diseñadas para proveer rotación de la lata tapa sobre tapa o axial. Normalmente, se prefiere la rotación de tapa sobre tapa y se puede proporcionar en retortas de proceso por lotes, mientras que las autoclaves de agitación continuas pueden proporcionar sólo la rotación axial limitada. A diferencia de los productos calentados por conducción, debido al movimiento del producto en los productos calentados por convección forzada, la distribución de la temperatura en todo el producto es razonablemente uniforme con agitación mecánica. En la convección natural, el punto de calentamiento más lento está algo por debajo del Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor centro geométrico y debe ser ubicado de forma experimental en cada nuevo caso (Figuras 3.3a y 3.3b).

a l p u c o m r e T

a l p u c o m r e T

Calentamiento por conducción

Calentamiento por convección

(a) (b) Figura 3.3. Transferencia de calor por conducción y convección en los alimentos enlatados de varias composiciones de sólido a líquido y la ubicación del punto frío en el caso del modo de transferencia de calor (a) por conducción y (b) por convección natural.

3.4.3. Medición de la penetración de calor

El objetivo principal de las mediciones de penetración de calor es obtener un registro preciso de la temperatura del producto en el punto frío de la lata con el tiempo mientras que el recipiente está siendo tratado en un conjunto controlado de condiciones de procesamiento de retorta. Esto se logra normalmente a través del uso de termopares de cobre-constatán insertados a través de la pared de la lata de manera que tenga la unión situada en el centro geométrico de la lata. Los hilos conductores del termopar pasan a través de una glándula empacada en la pared de la retorta para la conexión a un sistema de adquisición de datos en el caso de una retorta sin agitación. Para agitar las retortas, los hilos conductores del termopar están conectados a un eje giratorio para la recogida de la señal eléctrica desde la armadura giratoria fuera de la retorta. Accesorios de termopares especialmente diseñados están comercialmente disponibles para estos fines (Stumbo, 1965; NFPA, 1980; López, 1987). El perfil preciso de tiempo-temperatura experimentado por el producto en el centro de la lata dependerá de las propiedades físicas y térmicas del producto, el tamaño y la forma del envase y replicar las condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, es imperativo que las latas de ensayo de producto utilizado en las pruebas de penetración de calor sean verdaderamente representativas del producto comercial con respecto a la formulación de ingrediente, se llenan de peso, espacio de cabeza, puede cambiar el tamaño y así sucesivamente. Además, la retorta de laboratorio o de planta piloto que está siendo utilizado debe simular con precisión las condiciones de funcionamiento que será experimentado por el producto durante el procesamiento comercial en los sistemas de retorta a escala de producción destinados para el producto. Si esto no es posible, las pruebas de penetración de calor deben llevarse a cabo utilizando la réplica de producción real durante los descansos programados en las operaciones de producción. Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

52

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor Durante una prueba de penetración de calor, tanto la historia de la temperatura de retorta y la historia de la temperatura del producto en el centro de la lata se miden y registran en el tiempo. Un proceso de prueba típico incluirá ventilación de la retorta con vapor vivo para eliminar todo el aire de la atmósfera, a continuación, el cierre de las rejillas de ventilación para llevar el autoclave a la presión y la temperatura de funcionamiento. Este es el punto en el que comienza el “tiempo de proceso” y la temperat ura de retorta se mantiene constante durante este período de tiempo. Al final del tiempo de proceso prescrito, el vapor de agua se cierra y el agua de enfriamiento se introduce bajo presión de aire primordial para evitar una caída de presión repentina en la retorta. Así comienza la fase de enfriamiento del proceso, que termina cuando la presión de retorta vuelve a la atmósfera y la temperatura del producto en la lata ha llegado a un nivel bajo de seguridad para la remoción de la retorta. Un gráfico típico de tiempo-temperatura de estos datos se muestra en la Figura 3.4 e ilustra el grado en que la temperatura en el centro del producto en la lata va detrás de la temperatura de retorta durante el calentamiento y enfriamiento. 260 240 220 ) F °(

200 ar ut

Calentamiento por conducción

180 ar e p 160 m e T

140 120

Temperatura de retorta

80 0

20

40

60

Tiempo de proceso (min) Figura 3.4. Curva genérica de penetración de calor para un alimento de calentamiento por conducción durante un proceso térmico.

3.4.4. Curvas de penetración de calor y difusividad térmica

La respuesta de la temperatura del producto en el centro de la lata a la temperatura de retorta de vapor aplicado en la pared de la lata se rige por las leyes físicas de la transferencia de calor y se puede expresar matemáticamente. Esta expresión matemática es un modelo que sirve como base para la obtención de los valores eficaces de las propiedades térmicas de los alimentos enlatados con el fin de utilizar cálculos numéricos en ordenadores de alta velocidad que son capaces de simular la transferencia de calor en el procesamiento térmico de los alimentos enlatados. Un balance de calor entre el calor absorbido por el producto y el calor transferido a través de la pared de la lata de la retorta de vapor podría expresarse de la siguiente manera para un elemento de volumen de los alimentos frente a la pared de la lata de área de superficie A y espesor L: Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

53


ρ L A C p

dT dt

k 

L

A TR T  

[3.4]

donde T es la temperatura del producto, T R es la temperatura de retorta, ρ, Cp, y k son la densidad, calor específico y conductividad térmica del producto, respectivamente. Debido al alto coeficiente de transferencia de calor superficial de condensación de vapor en la pared de la lata y a la alta conductividad térmica del metal de la lata, la resistencia de la superficie global de transferencia de calor se puede suponer insignificante, en contraste con la resistencia del producto a la transferencia de calor. Después de reordenar los términos, la ecuación [3.4] se puede escribir en la forma de una ecuación diferencial ordinaria: dT dt



k L2 TR  T ρ  C p

[3.5]

Haciendo que la di fusividad térmica (α) represente la combinación de propiedades térmicas y físicas (k/ρCp) y haciendo que T0 represente la temperatura inicial del producto, la solución a la ecuación [3.5] se convierte en: TR  T

    exp  2 t  TR  T0  L 

[3.6]

Por lo tanto, la temperatura en el centro del producto puede ser visto como una función exponencial de tiempo; de una gráfica semilogarítmica de la diferencia de temperatura (TR -T) versus el tiempo se produce una línea recta inclinada hacia abajo, que tiene una pendiente relacionada con la difusividad térmica del producto y dimensiones de la lata (Figura 3.5). El factor de la velocidad de penetración de calor (f h) es la pendiente inversa de la curva de penetración de calor (tiempo requerido para un cambio de temperatura de un ciclo logarítmico). Por lo tanto, puede estar relacionado con la difusividad térmica aparente global de las dimensiones del producto y envase para una forma de envase dado. Para un cilindro finito la siguiente relación se puede utilizar para obtener la d ifusividad térmica, α, el factor de velocidad de calentamiento tomada de una curva de penetración de calor (Ball y Olson, 1957; Stumbo, 1965): α



0,398  1 0,427   R 2  H2 f h

[3.7]

donde R es el radio de lata en pulgadas, H es la mitad de la altura de lata en pulgadas, f h el factor de pendiente de la curva de calentamiento en minutos y α la difusividad

térmica de productos en unidades compatibles. Esta relación también es útil para determinar el factor de velocidad de calentamiento para el mismo producto en un recipiente de diferente tamaño, ya que la difusividad térmica es una combinación de propiedades térmicas y físicas que caracterizan el producto y su formulación de ingrediente y no se ve afectado por el tamaño del recipiente o forma. Relaciones similares apropiadas para otras geometrías regulares se pueden encontrar en la literatura publicada (Ball y Olson, 1957). Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

54


1000

RT -1000 j hl h

(R - T ) = l h T

100 )

R -100 T

T

-

R (

T

10

R -10 T

f h

1 0

10

20

30

40 50

60

R -1 T

Tiempo (min) Figura 3.5. Curva semilogarítmica de penetración de calor que muestra la diferencia incompleta de temperatura (en escala logarítmica) en función del tiempo, de la que se pueden estimar los factores de velocidad de calentamiento (f h) y el retardo de calentamiento (jh).

Otro parámetro importante penetración del calor obtenido a partir de la curva de semilogarítmico de penetración del calor es el factor de calentamiento de retardo (j ch), que se toma como la relación de la diferencia entre la temperatura de retorta (T R ) y pseudo-temperatura inicial (T 0), la temperatura en el que una extensión de la porción de línea recta de la curva de calentamiento cruza el eje de ordenadas (T R -T0) sobre la diferencia entre la temperatura de retorta y la temperatura real del producto inicial (T R Ti). El factor de calentamiento de demora (lag) se puede utilizar con los modelos de transferencia de calor por conducción deterministas para dar cuenta de los mecanismos de transferencia de calor distintos de la conducción pura, que a menudo tienen lugar en la mayoría de los alimentos enlatados (Ball y Olson, 1957; Teixeira et al ., 1999.). 3.5. Diseño de proceso

Una vez que una curva de penetración de calor se ha obtenido de los datos de laboratorio de penetración del calor o predicha por un modelo de computadora, hay esencialmente dos métodos ampliamente aceptados para el uso de estos datos para realizar los cálculos de procesos térmicos para la determinación del tiempo de proceso a la temperatura de retorta (diseño del proceso). La primera de ellas es el método general de cálculo de proceso (Bigelow et al ., 1920) y el segundo es el método de cálculo de proceso de la fórmula de Ball (Ball y Olson, 1957). Sólo el método general se describe en esta unidad académica debido a su uso conectado con modelos matemáticos de transferencia de calor. Como el nombre implica, el método general es el método más versátil de cálculo de proceso, ya que es universalmente aplicable a esencialmente cualquier tipo de situación de procesamiento térmico. Se hace uso directo de la historia de la temperatura del producto en el centro de la lata obtenido a partir de una prueba de penetración de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor calor (o predicha por un modelo matemático) para evaluar la integral que se muestra en la ecuación [3.3] para calcular la letalidad proceso entregado por una historia de tiempotemperatura dado. Una integración numérica directa de la ecuación [3.3] se puede expresar de la siguiente manera con referencia a la Figura 3.6: (T 121,1)

n

n

i 1

i 1

F0   ΔFi  10

z

Δt

[3.8]

La Figura 3.6 es una representación directa de la temperatura en el centro de la lata experimentado durante una prueba de penetración de calor. Dado que no se puede producir letalidad apreciable hasta que el producto alcance una temperatura del rango letal de temperatura (por encima de 105°C), la ecuación [3.8] sólo necesita ser evaluada en el período de tiempo durante el cual la temperatura del producto se mantiene por encima de 105°C. Mediante la división de este período de tiempo en pequeños intervalos de tiempo (∆t) de corta duración como se muestra en la Figura 3.6. La temperatura Ti en cada intervalo de tiempo se puede leer en la curva y se usa para calcular el incremento de letalidad (∆Fi) realizado durante ese intervalo de tiempo. A continuación, la suma de todos estos valores incrementales de esterilización es igual a la letalidad total, F 0, entregado por el proceso de la prueba. Para determinar el tiempo de proceso requerido para entregar una letalidad específica, la parte de enfriamiento de la curva en la Figura 3.6 se desplaza a la derecha o a la izquierda y la integración se repite hasta que la letalidad entregada así calculada está de acuerdo con el valor especificado para el proceso. )

240 F °( at al

230 al

T i

e d

T 2

220 or t

T 3

T n

T 1

n e c

210 l e n e

∆t

200 to c u d or

190 p l e d

180 ar ut ar

170 e p m e T

160

10

20

30 40 50 Tiempo (minutos)

60

70

Figura 3.6. Historia de la temperatura en el centro del alimento conservado durante el proceso térmico para el cálculo de letalidad de proceso por el método general.

Cuando se introdujo por primera vez en 1920, este método se refiere a veces como el método gráfico de prueba y error porque la integración se realizó en papel Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor cuadriculado diseñado especialmente para facilitar los cálculos tediosos que se requerían. El método fue también consumido por mucho tiempo y pronto se dio paso en popularidad histórica más conveniente (pero menos preciso) método de la fórmula de Ball. Con la actual disponibilidad amplia de calculadoras programables de bajo costo y computadoras de escritorio, estas limitaciones no son de ninguna consecuencia y el método general es actualmente el método de elección debido a su precisión y versatilidad. El método general es particularmente útil en el máximo aprovechamiento de los sistemas de registro de datos a base de ordenador utilizados en relación con las pruebas de penetración térmica. Estos sistemas son capaces de leer las señales de temperatura recibidos directamente de los termopares de monitoreo tanto de la temperatura de retorta y la temperatura central del producto y el procesamiento de estas señales a través de la computadora. A través de las instrucciones de programación, tanto de temperatura de retorta y la temperatura central del producto se trazan contra el tiempo sin ningún tipo de transformación de datos. Esto permite al operador ver lo que realmente ha sucedido a lo largo de la duración del proceso de prueba. Como los datos se leen por el ordenador, las instrucciones de programación adicionales llaman al cálculo de la letalidad proceso gradual (∆Fi) en cada intervalo de tiempo entre las lecturas de temperatura y sumando estos con el tiempo en el proceso en marcha. Como resultado, la letalidad acumulada (F) se conoce en cualquier momento durante el proceso y puede ser trazada en el gráfico junto con las historias de temperatura para mostrar el valor final alcanzado en el final del proceso. Otra prueba puede repetirse durante un tiempo más o menos largo de proceso con resultados inmediatos en el F 0 obtenido. Mediante el examen de los resultados de ambas pruebas, el tiempo de proceso deseado para el objetivo del valor F puede ser estrechamente estimado y luego probado rápidamente para la confirmación. Los resultados de las dos pruebas de penetración de calor se muestran superpuestos el uno del otro en la Figura 3.7. Estos resultados muestran que la prueba 1, con un tiempo de proceso de 68 min, produjo un valor F de 6, y la prueba 2, con un tiempo de proceso de 80 minutos, produjo un valor F de 8, lo que sugiere que el objetivo del valor F de 7 se logrará por un tiempo de proceso intermedio. Esto se puede confirmar mediante la ejecución de una prueba en el tiempo del proceso propuesto y examinando el valor F resultante.


57

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 300

25 )

Retorta F

250 )

°(

20

F

0 5

°(

2 a

ar ut ar

Centro de la lata

e

200

s ot u

15

p

ni m(

m e T

150

0

F a

10 d a z n a

100

cl a

5 d a

F0 di l at

50 0

25

50

75

100

125

0 150

e L

Tiempo (minutos)

Figura 3.7. Gráfica generada por computadora de la temperatura de retorta, temperatura en el centro de la lata y la letalidad alcanzada (F0) en el tiempo para dos tiempos de proceso diferentes superpuestos el uno del otro. 3.6. Modelo matemático para la transferencia de calor

El desarrollo y uso de modelos de transferencia de calor matemáticos para simular el procesamiento térmico de alimentos envasados ha sido bien documentado en la literatura científica publicada (Teixeira et al ., 1969,1975; Teixeira y Manson, 1982; Datta et al ., 1986). El modelo descrito en esta unidad académica hace uso de una solución numérica por diferencias finitas de la ecuación diferencial parcial de dos dimensiones que describe la transferencia de calor por conducción en un cilindro finito. Durante el calentamiento de la conducción, el calor se aplica solamente en la superficie de la lata, las temperaturas aumentarán primero sólo en las regiones cercanas a las paredes de la lata, mientras que la temperatura cerca del centro de la lata comenzará a responder sólo después de un lapso de tiempo considerable. Matemáticamente, la temperatura es un parámetro distribuido en que en cualquier punto en el tiempo durante el calentamiento, la temperatura toma un valor diferente con la ubicación en la lata y en cualquier ubicación, los cambios de temperatura con el tiempo en forma de calor penetra poco a poco el producto de las paredes de la lata hacia el centro. La expresión matemática que describe este patrón de distribución de la temperatura con el tiempo se muestra en la Figura 3.8 y se encuentra en el corazón del modelo numérico del ordenador. Esta expresión es la ecuación diferencial parcial clásica de segundo orden para dos dimensiones de calor inestable por conducción en un cilindro finito y se puede escribir en la forma de diferencias finitas para la solución numérica por ordenador digital, como se muestra en la Figura 3.9. Las diferencias finitas son incrementos discretos de tiempo y espacio definidos como pequeños intervalos de tiempo de proceso y pequeños incrementos de altura y radio del envase (∆t, ∆h, y ∆r, respectivamente). Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

58


∂T ∂t

Donde

=

α

∂2T ∂ r 2

+

1

∂T

r

∂r

∂2T +

∂h 2

T =

temperatura t = tiempo α = difusividad térmica r = posición radial en el cilindro h = Posición vertical en el cilindro

Figura 3.8. Ecuación diferencial parcial de segundo orden de dos dimensiones para la transferencia de calor por conducción (ecuación de conducción de calor) en un cilindro finito (Teixeira y Manson, 1982).

T (ij )

(t

+

∆t )

= T (t ) (ij )

+

+

+

α∆ t ∆r 2 α∆ t

2r ∆r α∆ t ∆h 2

(t ) T (i –1, j ) – 2T (i j ) + T (i +1, j )

(t ) T (i –1, j ) – T (i +1, j )

(t ) T (i , j –1) – 2T (i , j ) + T (i , j +1)

Donde ∆t , ∆r , ∆h = Incrementos discretos de tiempo, radio y altura e i y j denota la secuencia del radio e incremento vertical fuera de la pared de la lata y en el plano medio Figura 3.9. Ecuación para la conducción de calor para el cilindro finito expresado en diferencias finitas para la solución numérica por iteración en ordenador (Teixeira y Manson, 1982).

Como un marco para iteraciones de ordenador, el envase cilíndrico se imaginó ser subdividido en elementos de volumen que aparecen como capas de anillos concéntricos que tienen secciones transversales rectangulares, como se ilustra en la Figura 3.10 para la mitad superior del envase. Nodos de temperatura se asignan en las esquinas de cada elemento de volumen en un plano vertical, como se muestra en la Figura 3.11, donde I y J se usan para indicar la secuencia de elementos de volumen radial y vertical, respectivamente. Mediante la asignación de límite apropiado y las condiciones iniciales a todos los nodos de temperatura (nodos interiores fijados a la temperatura inicial del producto y los nodos de la superficie se establecen a la temperatura de retorta), la nueva temperatura alcanzada en cada nodo se puede calcular Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

59

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor después de un corto intervalo de tiempo (∆t) que sería coherente con la difusividad

térmica del producto obtenido a partir de datos de penetración de calor (f h). Se toma esta nueva distribución de la temperatura a continuación, para reemplazar a la primera y se repite el procedimiento para calcular la distribución de la temperatura después de otro intervalo de tiempo. De esta manera, se obtiene la temperatura en cualquier punto en el envase en cualquier instante en el tiempo. Al final del tiempo de proceso, cuando el vapor se cierra y el agua de enfriamiento es admitida en la retorta, el proceso de enfriamiento se simula mediante un simple cambio de las condiciones de contorno de la temperatura de retorta de T R a la temperatura de enfriamiento de T c en los nodos de la superficie y continuando con las iteraciones de ordenador descrito anteriormente. La temperatura en el centro de la lata se puede calcular después de cada intervalo de tiempo para producir una curva de penetración de calor predicha sobre la que la letalidad del proceso, F, se puede calcular. Cuando se utiliza el modelo numérico de ordenador para calcular el tiempo de proceso requerido a una temperatura de retorta dada para lograr una letalidad especificada, F, el ordenador sigue una rutina de búsqueda programada de los tiempos de proceso supuestos y converge rápidamente en el momento preciso en el que el enfriamiento debe comenzar para alcanzar el valor especificado F. Por lo tanto, el modelo se puede utilizar para determinar el tiempo de proceso necesario para cualquier conjunto dado de condiciones constantes o variables de temperatura de retorta.

H h

r

R

Figura 3.10. Subdivisión de un envase cilíndrico para la aplicación de las diferencias finitas (Teixeira et al ., 1969).


60


r

I , J +1 l a r t n e c

I –1, J a

I , J

I +1, J

e n í L

I , J –1

y

Plano medio

Figura 3.11. Etiquetado de los nodos de la rejilla en la matriz de elementos de volumen en un plano vertical para la aplicación de las diferencias finitas (Teixeira et al ., 1969). 3.7. Desviaciones de proceso

El control de las operaciones de los procesos térmicos en fábricas de conservas de alimentos ha consistido en el mantenimiento de las condiciones de operación especificadas que han sido predeterminados para el producto y pruebas de penetración de calor de proceso, como los cálculos de proceso para el tiempo y la temperatura de una retorta por lotes. A veces los cambios inesperados pueden ocurrir durante el curso de la operación de proceso o en algún punto delante en una secuencia de proceso de tal manera que las condiciones de procesamiento preespecificados ya no son válidas o apropiadas y el producto fuera de especificación que se produce debe ser ya sea reprocesado o destruido logrando pérdidas económicas apreciables. Este tipo de situaciones se conocen como desviaciones del proceso y pueden ser de importancia crítica en las operaciones de procesamiento de alimentos, porque las variables de proceso físico que pueden ser medidos y controlados son a menudo únicos indicadores de complejas reacciones bioquímicas que tienen lugar bajo las condiciones de proceso específicas. Debido al importante énfasis puesto en la seguridad pública de los alimentos enlatados, los procesadores operan en estricto cumplimiento de la Administración de Alimentos y Drogas (FDA) y las regulaciones de Alimentos Enlatados de Baja Acidez (LACF). Entre otras cosas, estas regulaciones requieren documentación estricta y el mantenimiento de registros de todos los puntos críticos de control en el procesamiento de cada carga del autoclave o lote de producto enlatado. Se hace especial hincapié en lotes de productos que experimentan una desviación del proceso no programadas, tales como cuando una caída en la temperatura de retorta se produce durante el curso del proceso que pueden resultar de la pérdida de presión de vapor. En tal caso, el producto no ha recibido el proceso programado establecido y debe ser destruido, ya sea, completamente reprocesado o dejar de lado para ser evaluados por una autoridad de proceso competente. Si el producto se juzga que es seguro, entonces los registros de Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

61

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor lotes deben contener la documentación que muestra cómo se llegó a ese juicio. Si se considera inseguro, entonces el producto debe ser completamente reprocesado o destruido. Tales prácticas son costosas. En los últimos años, los ingenieros de alimentos con conocimientos en el uso de las matemáticas de ingeniería y principios científicos de la transferencia de calor han desarrollado modelos de ordenador capaces de simular el procesamiento térmico de alimentos enlatados que se calientan por conducción como los que se describen en esta unidad académica. Estos modelos hacen uso de soluciones numéricas a las ecuaciones de transferencia de calor matemáticas capaces de predecir con precisión la temperatura interna del producto en el punto frío en respuesta a cualquier temperatura dinámica experimentada por la retorta durante el proceso. Estos modelos, son muy útiles en la evaluación rápida de las desviaciones que se pueden producir de forma inesperada. La precisión de estos modelos es de suma importancia y los modelos deben trabajar igualmente bien para cualquier medio de transferencia de calor, el tamaño y forma de envase. Recordemos que el modelo determinista descrito anteriormente en esta unidad académica se derivó para el caso de la conducción de transferencia de calor pura en un cuerpo sólido de forma cilíndrica finita. No sería aplicable a los muchos productos de alimentos que se calientan por convección o para diversos grados de convección combinado y conducción, ni a diferentes formas. Recientes trabajos reportados en la literatura han descrito la modificación y simplificación efectiva del modelo superando estas limitaciones (Noronha et al ., 1995; Teixeira et al ., 1999). Estos informes confirmaron que los envases de alimentos no necesitan ser de la misma forma que el cuerpo sólido asumido por el modelo de transferencia de calor. Podrían ser de cualquier forma siempre y cuando se requiere predicciones de temperatura sólo en la ubicación del punto frío dentro del envase desde el que se determinaron los datos de penetración de calor. El modelo mejorado asumió que el producto se calentaba por conducción pura y era un sólido en forma de una esfera. Una difusividad térmica “aparente” se obtuvo para

la esfera sólida que produciría la misma velocidad de calentamiento como la experimentada por el punto frío del producto. Del mismo modo, la ubicación radial precisa donde el factor de calentamiento desfase (j h) era la misma que en el punto frío del producto, se utiliza como la ubicación en la que la temperatura se calcula por el modelo (Figuras 3.12 y 3.13). Por lo tanto, para cualquier producto con parámetros empíricos (f h y j h) conocidos a partir de pruebas de penetración de calor, sería posible simular la respuesta térmica en el punto frío del producto a cualquier condición de contorno dinámica (variable en el tiempo de la temperatura de retorta) independientemente del tamaño del recipiente o forma o condiciones del proceso (modo de transferencia de calor). Recordemos que los datos de la prueba de penetración de calor producen normalmente recta semilogarítmica de las curvas de penetración de calor a partir del cual se pueden determinar los parámetros de penetración de calor empíricos (f h y j h). La incorporación de los parámetros en el modelo de transferencia de calor se logra mediante la relación entre la difusividad térmica (α) y el factor de velocidad de

calentamiento (f h) para una esfera (ecuación [3.9]) y la relación entre el factor de calentamiento de retardo (j h) y la ubicación radial (r) dentro de la esfera (ecuación


62

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor [3.10]). Estas y otras relaciones para otros tipos de cuerpos sólidos regulares se pueden encontrar en la literatura (Ball y Olson, 1957; Noronha et al ., 1995).  R 2   f h  0,233   α    R 2  π r    sen j(r)  0,637      R   r 

[3.9]

[3.10]

Los resultados de las pruebas de penetración de calor en cinco productos (Teixeira et al ., 1999) se presentan en el Cuadro 3.4. Todos los productos exhibidos en línea recta (logarítmico-lineal) de los trazados de las curvas de penetración de calor semilogarítmicas de las diferencias de temperatura incompleta frente al tiempo. La variación lata a lata en el factor de velocidad de calentamiento (f h) y factores de demora derivados del análisis directo de la curva de penetración de calor (jh analizado) fueron determinados por los valores máximo y mínimo encontrada durante las seis latas de dos pruebas repetidas. El verdadero factor de calentamiento de demora (lag) encontrado por prueba y error de simulación (j h simulado) también se comparó. Este fue el valor elegido para su uso en el modelo de transferencia de calor junto con los valores máximos (f h de calentamiento más lento) para la simulación de rutina de cada producto. También se comparó el rango de valores de letalidad calculadas a partir de las temperaturas medidas por los termopares en cada lata (F 0 real). La letalidad fue calculada a partir del perfil de temperatura simulada (F 0 simulada) predicho por el modelo de transferencia de calor en respuesta al archivo de datos de temperatura de retorta de cada prueba de penetración de calor como entrada. La Figura 1.14 compara las temperaturas internas del punto frío predichos por el modelo de simulación con perfiles medidos por el termopar en respuesta a múltiples desviaciones de la temperatura de retorta durante una prueba de penetración de calor (Teixeira et al ., 1999). Los perfiles simulados siguen muy estrechamente los perfiles medidos en respuesta a las desviaciones relativamente graves y a las dos repeticiones.


63


2

3 4

120

5 119

117 115 113 111 ) C °(

1

ar

2

ut ar e

3 4

5

101 p m e T

81

∆t

61 41 21

–79

20

40

60

80

100

Tiempo (minutos)

Figura 3.12. Curvas de penetración de calor para cinco lugares diferentes a lo largo del radio en el plano medio de un envase cilíndrico (ver Figura 1.15), lo que ilustra la relación entre la ubicación y el factor de calentamiento lag (jh).


64


H

h

R

5

3

4

2

1

r R

Figura 3.13. Sustitución de la forma del cuerpo sólido del cilindro finito a esfera perfecta para la simplificación del modelo de transferencia de calor numérica con la elección de la ubicación radial basado en el factor de calentamiento lag de las pruebas de penetración de calor.


65

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor 140 TC #7 (F 0 mínimo) TC #8 (F 0 máximo) Retort

120

Simulación (f h=22, jh=1,4)

)

100 C °( ar tu

80 ar e p

60 m e T

40 20 0

0

10

20

60 40 50 Tiempo (minutos)

30

70

80

90

Figura 3.14. Comparación de las temperaturas internas del punto frío predichas por el modelo de simulación con las medidas por los termopares en respuesta a las múltiples desviaciones de temperatura de retorta durante una prueba de penetración de calor con un 5% de suspensión de bentonita en 6 onzas de atún (Teixeira et al ., 1999). Cuadro 3.4. Resultados de penetración de calor en los productos que utilizan dos réplicas de pruebas de penetración de calor con seis latas instrumentadas para cada producto Producto y proceso f h jh jh F0 real F0 (minutos) (analizado) simulado (rango) simulado (rango) (rango) 5% Bentonita 70,4 – 73,0 1,9 – 2,0 2,0 6,0 – 7,0 6,2

latas de 1 kg (98 × 110 mm); retorta estática 5% Bentonita 20,0 – 22,0 latas de atún (86 × 45 mm); retorta estática Agua 3,0 – 3,1 latas de 1 kg (98 × 110 mm); retorta estática Agua 1,7 – 1,9 latas de atún (86 × 45 mm); retorta estática Guisantes en 2,5 – 3,0 salmuera latas de medio kg (74 × 88 mm); retorta agitada Fuente: Teixeira et al ., 1999.

1,4 – 1,6

1,4

7,5 – 9,8

7,4

1,8 – 2,3

1,0

9,8 – 10,8

9,9

2,5 – 3,9

1,0

7,9 – 10,6

7,7

2,6 – 3,4

1,0

10,8 – 12,0

11,0


66

Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor La prueba final de funcionamiento del modelo en la simulación y evaluación de las desviaciones del proceso fue una comparación de letalidades realizadas por los perfiles de temperaturas reales y simuladas (Cuadro 3.5). Recordemos que la letalidad alcanzada (F 0) para cualquier proceso térmico se calcula fácilmente por integración numérica de la temperatura del punto frío medido o predicho en el tiempo como se ha explicado anteriormente. Por lo tanto, si la temperatura del punto frío se puede predecir con precisión en el tiempo, por lo que puede acumularse la letalidad del proceso. En todos los casos la letalidad simulada predicha está en concordancia estrecha con la letalidad mínima real calculada a partir de los perfiles de temperatura medidos. Las predicciones del modelo que tienden hacia el lado mínimo de la gama son siempre deseables para la toma de decisiones conservadoras. Cuadro 3.5. Resultados de la prueba que muestra la desviación de letalidades de proceso calculadas a partir de las temperaturas predichas por el modelo de simulación (F0 simulada) y los calculados a partir de las temperaturas reales medidas (F0 real) en latas de calentamiento más lento y más rápido del mismo producto en respuesta a diferentes tipos de desviaciones de la temperatura de retorta durante el procesamiento Producto/proceso Tipo de F0 simulado F0 real desviación Mín Máx (A, B, C)

5% Bentonita 1 kg estático 5% de Bentonita atún estático Agua 1 kg estático Agua atún estático

A B C A B C A B C A B C C

Guisantes en Salmuera medio kg agitado Fuente: Teixeira et al ., 1999.

5,5 3,0 1,7 6,5 5,6 4,8 7,4 7,8 7,1 4,4 6,0 5,5 9,1

5,5 3,3 1,6 6,6 5,7 4,7 7,4 8,8 7,4 5,4 6,6 6,7 9,2

6,4 5,3 2,4 7,6 7,0 5,7 8,2 10,3 8,8 6,2 7,7 8,0 10,0

3.8. Corrección en línea de desviaciones del proceso

El trabajo descrito en la sección anterior fue la primera parte de un proyecto de dos fases para el desarrollo y la demostración de un sistema inteligente de control en línea basado en computadora para la operación de cámaras por lotes para la esterilización de alimentos enlatados. La clave de este sistema fue el desempeño de los disponibles comercialmente Can-Calc© software de simulación de procesos térmicos (Ingeniería de Cyber Solutions, Gainesville, FL). Este software hace uso de un modelo de transferencia de calor matemática similar al descrito en esta unidad académica. Este modelo es capaz de predecir la temperatura interna del producto en el punto frío en respuesta a cualquier temperatura dinámica de la retorta. La letalidad alcanzada (F 0) para cualquier proceso térmico se puede calcular fácilmente por integración numérica Dr . Wil li am Rolando M ir anda – Z amora © 2014 PATPRO – Versión XIV – 2014 – Universidad Nacional de Piura

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Diseño del Proceso de Conservación de Alimentos por Calor del perfil de temperatura del punto frío en el tiempo utilizando el método general. Por lo tanto, si la temperatura del punto frío se puede predecir con precisión, por lo que puede la letalidad proceso acumularse. Utilizando sólo la temperatura de retorta monitoreada como entrada, el modelo puede funcionar como una subrutina para calcular la temperatura interna del producto en el punto frío en intervalos de tiempo pequeños. Al mismo tiempo, el modelo podría calcular la letalidad de proceso asociada con la temperatura del punto frío en tiempo real mientras el proceso está en marcha. En cada paso de tiempo, el modelo simularía la letalidad adicional aportada por la fase de enfriamiento si el enfriamiento fuera a empezar en ese momento. Por lo tanto, la decisión de cuándo finalizar el calentamiento y empezar el enfriamiento sería retenido hasta que el modelo determine que el final de la letalidad de proceso objetivo se alcanzó al final del enfriamiento. Por la programación de la lógica de control para continuar calentando hasta que la letalidad acumulada ha alcanzado un cierto valor objetivo designado, el proceso finalizará siempre con el nivel deseado de letalidad (F 0), independientemente de una desviación de la temperatura del proceso no programada. Al final del proceso, la documentación completa de la historia de temperatura de retorta medida, calculada en el centro de la historia de la temperatura y la letalidad alcanzada (F 0) se pueden generar en cumplimiento de los requisitos de conservación de registros de regulación. Tales documentos se muestran en la Figura 3.15 para un proceso normal (arriba) y por el mismo proceso previsto con una desviación inesperada (abajo) (Datta et al ., 1986). 3.9. Conclusiones

Esta unidad académica se ha centrado en el desarrollo y aplicación de modelos de transferencia de calor para la simulación del tratamiento térmico en el desarrollo de procesos y fabricación de alimentos enlatados esterilizados por calor. Los modelos son capaces de predecir con precisión la temperatura interna del producto a través del tiempo durante el calentamiento en respuesta a las condiciones de operación de retorta dinámicas para cualquier grado combinado de modo de transferencia de calor por conducción-convección y para cualquier tamaño o forma de envase. Las aplicaciones de estos modelos a través de Can-Calc© software disponible comercialmente para diseño del proceso, rápida evaluación fuera de línea de las desviaciones del proceso y control de computadora en tiempo real en línea de las operaciones de retorta se describen con detalle. Esta unidad académica también presenta una revisión adecuada de los principios y conceptos básicos de procesamiento térmico importantes para entender el desarrollo de modelos, aplicaciones y limitaciones. Estos incluyen los siguientes:


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25 Retorta Centro de la lata

250

20 ) s

) ot F °( u ar ut

200

in

15 m( o

ar d e a p z m

n a

10

e 150 T

lc a

F0 100

5

50

0 0

25

50

75

100

0

F

125

150

Tiempo (minutos) 300

25 Retorta Centro de la lata

250

20 ) s

) ot F °( u ar ut

200

in

15 m(

ar o d e a p z m e T

n

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F0 a F

100

5

50

0 0

25

50

75

100

125

0

150

Tiempo (minutos)

Figura 3.15. Salida generada por computadora del sistema informático en línea de control que muestra el tiempo de calentamiento de 68 minutos para el proceso normal (arriba) y el tiempo de calentamiento prorrogado automáticamente hasta 76 minutos en la compensación por la pérdida temporal no programado de la temperatura de retorta (desviación del proceso).

1. Revisión de las relaciones en tiempo de muerte térmica, que describen cómo la inactivación térmica de las poblaciones de esporas bacterianas se puede cuantificar en función del tiempo y la temperatura. 2. Letalidad del proceso y el valor de esterilización, los conceptos que definen la especificación de los requisitos del proceso con respecto a las consideraciones de salud pública y probabilidad deterioro.


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Modulo Diseño Del Proceso de Conservación de Alimentos Por Calor-1

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