Procesos tales como la pasteurización o la esterilización, que aplican un tratamiento de calor a temperaturas y tiempos específicos, provocan tanto cambios deseables como también ciertos cambios indeseables en los productos.
Cambios deseables son la inactivación de enzimas y de microorganismos viables con sus esporas.
Los efectos índeseables incluyen cambios en el sabor , olor, textura, y reducción de nutrimentos.Los métodos de procesamiento que traen aparejados estos efectos encontrados, deben ser optimizados en términos de su relación tiempo -temperatura para promover los cambios deseables mientras se minimiza el grado de cambios indeseables en el producto.
La combinación de temperatura y de tiempo de retención (el tiempo durante el cual el alimento es mantenido a la temperatura necesaria para lograr el efecto deseado) es muy importante, ya que determina la intensidad de¡ tratamiento térmico. La Figura 1 muestra las curvas de efecto letal para distintos tipos de bacterias patógenas. De acuerdo con estas curvas, las bacterias coliformes mueren si el alimento, en este caso la leche, es calentado a 70'C y mantenido a esta temperatura por alrededor de un segundo. A una temperatura de 65ºC será necesario un tiempo de retención de 10 segundos para matar dichas bacterias. Estas dos combinaciones, 70ºC/1s y 65ºC/10s tienen consecuentemente el mismo efecto letal.
Los bacilos de la tuberculosis son más resistentes al tratamiento térmico que las bacterias coliformes. Se requiere un tiempo de retención de 20 segundos a 70ºC o de alrededor de 2 minutos a 65ºC para asegurar que sean totalmente destruídos.
También podría haber micrococos resistentes al calor. Como regla general, no son peligrosos para la salud humana.
Figura 1 : Efecto letal sobre las bacterias
1 TRATAMIENTO UHT
El tratamiento UHT es un proceso continuo que tiene lugar en un sistema cerrado que previene que el producto sea contaminado por microorganismos presentes en el aire. El producto pasa a través de pasos de calentamiento y enfriamiento en rápida sucesión. El envasado aséptico para evitar la reinfección de¡ producto, es una parte inherente al proceso.
En la Figura 2 podemos observar las curvas de temperatura propias de la esterilización convencional en contenedores y las de los distintos tipos de tratamiento UHT
Veremos el tema aplicado al caso de la leche.
Cuando la leche es mantenida a una temperatura alta por un largo período de tiempo, se forman ciertos productos de reacción, lo que resulta en decoloración (pardeamiento). También adquiere un flavor acaramelado y cocido, y ocasionalmente hay una gran cantidad de sedimento. Estos efectos son mayormente evitados por un tratamiento de calor a alta temperatura por un corto tiempo. Es importante que la combinación de tiempo y temperatura sea elegida de tal forma que la destrucción de esporas sea satisfactoria y que al mismo tiempo el daño ocasionado a la leche por el calor sea mantenido al mínimo nivel posible.
La Figura 3, semilogarítmica, marca en ordenadas el tiempo de calentamiento o el tiempo equivalente de calefacción (en escala logarítmica) y marca en abscisas las temperaturas. Ella muestra la interacción entre el efecto esterilizante y el efecto de las reacciones de deterioro químico, como lo es la reacción de pardeamiento. La línea A representa el límite inferior de las combinaciones tiempo/temperatura que causan que la leche se vuelva marrón. Ir hacia arriba y/o hacia la derecha implica pardear la leche. La gráfica anota que la pendiente de la línea llena B corresponde a un concepto a considerarse más abajo, el del efecto esterilizante o valor letal logarítmico de 9. Dicha línea llena B (muy sesgada, que pasa por el rectangulito superior) es el límite inferior de las combinaciones para una completa esterilización (destrucción de las esporas termófilas). Las regiones de la esterilización dentro de recipientes y del tratamiento UHT están marcadas especialmente en la figura. La zona válida para procesar por la técnica de UHT no pardea, sobreesteriliza las esporas mesofílicas, tiene margen de seguridad para las esporas termofílicas, y no llega a destruir, en general, un 3 % de la tiamina presente inicialmente. En esa zona se afecta insignificantemente a la lisina, menos del 1 %.
Obsérvese que las dos zonas marcadas tienen límites horizontales abajo y verticales a la derecha, en este último caso 115ºC y 150ªC, respectivamente para la región batch en envase y para la esterilización UHT, ambos por motivos prácticos. La figura muestra que mientras los dos métodos tienen el mismo efecto esterilizante hay una gran diferencia en los efectos químicos (reacción de pardeamiento y de destrucción de vitaminas y aminoácidos). Procesos de esterilización en zonas intermedias entre las dos aquí marcadas muestran una diferencia menor o mucho menor, segun los parámetros de tiempos/temperaturas usados. Esta es la razón por la cual la leche UHT tiene un mejor sabor y un mayor contenido nutritivo que la leche esterilizada en el envase.
En la Tabla I vemos la diferencia entre ambos tratamientos respecto del impacto sobre los nutrimentos de la leche (Fellows P, 1993).
Tabla I Efecto del tratamiento térmico sobre el valor nutritivo de la leche Pérdidas Nutrimento UHT Esterilización en botella Tiamina 10 35 Ácido Ascórbico 25 90 Vitamina 13,2 10 90 Ácido fólico 10 50 Acido pantoténico 0 0 Biotina 0 0 13-caroteno 0 0 Piridoxina 10 50 Vitamina D 0 0 Proteínas séricas 12-40* 87 Lisina - 10 Cistina 13 Valor biológico 6
Los sistemas asépticos de tratamiento térmico de la leche prácticamente no afectan a sus lípidos, carbohidratos y minerales, y su efecto sobre las vitaminas es prácticamente despreciable como podemos ver en la tabla anterior.
El tratamiento térmico convencional de los alimentos provoca hidrólisis en los carbohidratos y lípidos pero su valor nutritivo no se modifica. Las proteínas coagulan y las pérdidas, por ejemplo, en carnes enlatadas, son del 10-20%
En la Tabla II podemos ver como ejemplo la pérdida de Tiamina y Piridoxina según el tratamiento en distintos tipos de alimentos
3 EFICIENCIA DE LA ESTERILIZACION Cuando los microorganismos y/o las esporas de bacterias son sometidos a un tratamiento térmico o cualquier otra clase de procedimiento esterilizante / desinfectante, no todos los microorganismos mueren a la vez. En vez de esto, una cierta proporción es destruida en un período de tiempo dado mientras que el resto sobrevive. Si los microorganismos sobrevivientes son una vez más sujetos al mismo tratamiento por el mismo período de tiempo, una proporción igual de éstos serán destruídos, y así sucesivamente. En otras palabras, una dada exposición a agentes esterilizantes o desinfectantes siempre elimina la misma proporción del recuento inicial de cada etapa, con lo cual la cinética de la muerte térmica, en condiciones isotérmicas, es claramente de primer orden.
Tabla II Efecto de la esterilización convencional y por envasado aséptico sobre las pérdidas vitamínicas en tiamina y piridoxina Pérdidas en tiamina % Pérdidas en piridoxina (%) Producto UHT Método UHT Método convencional convencional Arvejas 15.8 40.3 9.5 10.1 Carne vacuna 9.2 21.6 4.1 2.9 Concentrado de 0 2.8 0 0 tomate
k · t = log Nt/Nº, donde Nº = número de microorganismos (esporas) originalmente presentes (recuento inicial) Nt = número de microorganismos (esporas) presentes luego de un tiempo dado de tratamiento (t) k = constante específica de la reacción de muerte térmica (1/s) t = tiempo de tratamiento (s)
Esta fórmula da como resultado una línea recta cuando se dibuja como un gráfico semilogarítmico con el tiempo de tratamiento expresado en el eje lineal de las abscisas y el número de sobrevivientes en el eje logarítmico de las ordenadas (Fíg 4). La constante de reacción indica cuán rápidamente ocurre la destrucción de microorganismos (o constituyentes) a una temperatura constante. Los microbiólogos de alimentos usan el valor D para indicar el tiempo de calentamiento necesario, a temperatura constante T, para destruir el 90% de la población presente. Esto implica una reducción de la concentración en 10 veces. Este es el tiempo mostrado en la Figura 4.
Las unidades para D(t) son magnitudes de tiempo (segundos o minutos), y las unidades para k(T) son inversas de tiempo.
Una función logarítmica nunca puede alcanzar el valor cero. En otras palabras, la esterilidad definida como la ausencia de esporas vivientes en un volumen ilimitado de producto, es imposible de lograr.
Un concepto más útil y realista es el de "efecto esterilizante* o "eficiencia de esterilización". Estos términos establecen el número de reducciones decimales en el recuento de esporas bacterianas logrado por un proceso dado de esterilización.
Cada vez que es llevado a cabo un proceso de esterilización, éste puede ser caracterizado por un cierto efecto esterilizante En cualquier proceso térmico de esterilización, el efecto esterilizante es determinado por la combinación de tiempo/ temperatura aplicada. A mayor temperatura y mayor tiempo de retención, el proceso será más eficiente.
El efecto esterilizante es expresado por el número de reducciones decimales logrado mediante el proceso. Por ejemplo, como se mencionó durante el análisis de la Figura 3, tomemos el caso de un efecto esterilizante o valor letal logarítmico de 9. Un efecto esterilizante de 9 indica que de 109 esporas bacterianas que ingresaron al proceso, solamente sobrevivirá 1 (100). El efecto esterilizante es independiente del volumen.
log 109 - log 100 =9 - 0 = 9
El Clostridium botulinum es usado para el cálculo de¡ efecto de la esterilización realizada con el producto dentro del recipiente.
VALOR Q10
Como ya se ha mencionado, el efecto esterilizante de un proceso de esterilización se
incrementa rápidamente con el aumento de la temperatura. Esto, por supuesto, también
se aplica a las reacciones químicas que ocurren como consecuencia del tratamiento
térmico. El valor Q10 ha sido introducido como una expresión de este incremento en la velocidad de una reacción. Este valor
establece cuántas veces aumenta la velocidad de una reacción si la temperatura de¡
sistema es elevada en 10ºC.
Q10= k(T+5)/k(T-5) (no aplicable a ºF, sí a ºC o K)
El valor Q10 para los cambios en el flavor - y para la mayoría de las reacciones es de
alrededor de 2 a 3, lo que indica que si se Incrementa la temperatura de un sistema en 1
OºC, la velocidad de las reacciones químicas se duplica o triplica. Por ejemplo, si una
reacción tiene un valor Q10=3 y requiere de una hora para completarse a 100ºC, sólo
requerirá de 1127 de dicho tiempo para completarse a 130ºC, esto es, 2 minutos.
Los valores Q10 pueden ser determinados también para la muerte de esporas bacterianas,
habiéndose encontrado valores dentro de¡ rango de 8 a 30. La variación es tan grande
debido a que las diferentes clases de esporas bacterianas reaccionan en forma diferente
a los incrementos de temperatura. Los cambios en las propiedades químicas y en la
destrucción de esporas por influencia del incremento de temperatura se muestran en la
Fig 5
VALOR F0
El valor F a una temperatura de referencia dada, es el tiempo en minutos equivalente a
todo el calor destructivo de un proceso con respecto a la destrucción de un organismo
caracterizado por un cierto valor z
Debido a que comunmente se asume un valor z de 10 'C (18 ºF) -para las esporas, los
valores F calculados con este valor se han convertido en standard y son designados
como F0. La temperatura de referencia es habitualmente 121ºC (250 ºF).
En este contexto debe ser mencionado también que la conexión entre el tiempo y la
temperatura de esterilización se puede expresar además según el valor F0 de acuerdo
con la siguiente función logarítmica:
F0 = (t/60)·10(T-121,1ºC)
donde
t = tiempo de esterilización en segundos
T = temperatura de esterilización en ºC
z = un valor que expresa el incremento
en la temperatura para obtener el
mismo efecto letal en 1/10 del tiempo.
El valor varía con el origen de las esporas y puede ser fijado
generalmente en 10ºC
F0 es igual a 1 luego de que el producto es calentado a 121.1ºC durante 1 minuto. Para
obtener leche comercialmente estéril a partir de leche cruda de buena cualidad, se
requiere un valor F0 mínimo de entre 5 y 6.
VALORES B* Y C*
Efecto bacteriológico: B* Efecto químico: C*
B* > 1 C* < 1
ECUACION DE ARRHENIUS
log k(T)= log A - (Ea/(2.303 RT)) donde: A = coeficiente de la ecuación de Arrhenius Ea = energía de activación (cal/mol) R = constante universal de los gases (1.987 cal/mol K) T = temperatura asociada con la constante (K)
Datos de destrucción térmica D121ºC (mín) Z (ºC) Q10 Ea, (kcal/mol) Vitaminas 100-1000 72-12.7 2,1-2.5 20-30 Destrucción de enzimas 1-10 11.1-37.8 1.5-31 12-100 Células vegetativas 0.002-0.02 11.1-13.3 31-178 100-120 Esporas microbianas 01-5.0 5.6-11.1 6.5-31 53-83 (cepas termorresistentes) Calidad organoléptica 5-500 7.2-26.7 1.7-2.5 10-30 (sabor, color, textura, etc.)
"LA PARTICULA MAS RAPIDA"
3.jun.2000
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Glosario de Bioingeniería del Conocimiento - Carlos von der Becke.