Unidad Nº2. ALTAS TEMPERATURAS Existen dos modalidades de tratamiento térmico: Pasteurización (que pretende fundamentalmente la higienización del producto) Esterilización (cuyo objetivo es la destrucción de los M.O. Presentes, esporulados o no) En este último grupo se encuentran los denominados “conservas”. Comportamiento de M.O. y enzimas frente a la temperatura La Tº es lo que mas influye en el crecimiento microbiano, en la actividad de enzimas y en la velocidad de muchas reacciones químicas. Se ajustan a una ecuación de Arrhenius:

Ecuación de Arrhenius Actividad enzimática y crecimiento de M.O. Log v 1/K

Tratamientos térmicos aplicados en la industria de alimentos Esterilización Autoclave: El autoclave es el elemento básico en la industria de las conservas esterilizadas por calor. Ventajas: - Versatilidad de uso (Forma de envases, materiales y condiciones) - Facilidad de manejo y mantenimiento - Bajo costo - Posibilidades de mejoras a partir de equipos sencillos. En un autoclave se pueden esterilizar alimentos envasados en materiales tan diversos como: Hojalata, aluminio, vidrio, laminados simples y complejos, sin limitación de formas y tamaños.

Solo se debe tener cuidado en las presiones aplicadas en los materiales. El funcionamiento de las autoclaves puede ser como un baño abierto a 100ºC ó con presión a temperaturas sobre 100ºC. Autoclave vertical Autoclave horizontal

Manejo y funcionamiento de autoclaves: Una caldera es la que se encarga de suministrar el vapor necesario para elevar la temperatura y presión. Red de tuberías de vapor(aisladas) agua y aire, llaves y válvulas de seguridad correctamente identificadas. Termómetros de control de proceso. Manómetros, uno o varios para controlar la presión. Válvulas de purga o seguridad.

Termobacteriología El fundamento de la conservación por el calor consiste en la destrucción térmica de los microorganismos y enzimas que se encuentran en los alimentos. Para conseguir la destrucción termica el alimento debe someterse a un ciclo de calentamiento y enfriamiento adecuado. Estas condiciones deben minimizar en lo posible los procesos de degradación de nutrientes y factores de calidad del producto.

Los procesos inferiores a 100ºC se denominan de Pasteurización y están destinados a higienizar el producto (liberar de gérmenes patógenos). El efecto inhibidor de los ácidos comienza a manifestarse a pH 5.3 y el Clostridium botulinum y otros microorganismos patógenos, solo son inhibidos a pH inferiores a 4,5. Bajo pH 3.7 solo pueden desarrollarse hongos, es decir el valor clave de pH es de 4,5. En los procesos de baja acidez pH mayor que 4,5 el proceso térmico debe ser capaz de inactivar estos M.O. patógenos, exigiendo Tº superiores a 100ºC, las que se denomina “esterilización”.

Fundamentos del proceso térmico de Esterilización Antecedentes microbiológicos, factores que afectan la termodestrucción de microorganismos: La velocidad de destrucción de las bacterias es específico para cada especie y es tanto mas rápida cuanto mas alta es la temperatura. Las esporas de ciertos especies bacterianas son extraordinariamente resistentes al calor. La resistencia de las esporas al calor es alterada por una serie de factores como: contaminación inicial, edad del microorganismo, pH, presencia de aditivos, etc. Los géneros mas importantes de MO que producen esporas son Bacillus que es aerobio, y Clostridium, anaerobio.

Curvas de supervivencia La muerte de los MO sigue un orden logarítmico. Si graficamos nº de células vivas de una suspensión bacteriana versus tiempo de exposición a Tºconstante, en papel semi-logaritmico, se obtiene una recta denominada CURVA DE SUPERVIVENCIA. El inverso de la pendiente de esta recta determina el tiempo necesario para destruir el 90% de las células y se denomina “D” o tiempo de reducción decimal. “D” numéricamente corresponde al número de minutos necesarios para atravesar un ciclo logarítmico, a temperatura constante.

Curva de Sobrevivientes 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 2 3 4 5 6 Nº de sobrevivientes Tiempo (min) Curva de Sobrevivientes t Nº MO m = Pendiente = D = 1 / m

La esterilidad no se alcanza jamas en un 100%, quedaran siempre sobrevivientes, sin embargo estos no causarán daño. D250 : Corresponde al valor de D, a 250ºF (121.1 ºC) La línea recta trazada en la curva de tiempo - temperatura se denomina espectro T.D.T. (Thermal Death Time), tiempo de muerte térmica. El T.D.T. a 250ºF se designa por Fo, y es el tiempo necesario para destruir por calentamiento a una temperatura de 250ºF todos los MO de una suspensión bacteriana bajo condiciones específicas.

Curva T.D.T. Fi = Antilog (250 - T) z Tg  = m z = 1 / m (min) Tg  = m z = 1 / m Fi  F Fo T(ºF) T 250ºF Fi = Representa el valor letal de cualquier temperatura en relación a 250ºF Fi = Antilog (250 - T) z

Estudios de penetración del calor: La medida de la variación de la temperatura en el punto de calentamiento mas lento de un envase recibe el nombre de ensayo o estudio de penetración de calor. Se mide mediante un par termoeléctrico o termocuplas. Las que se insertan en distintos puntos del envase sensores de temperatura observandose zonas de calentamiento mas lento, dicha zona se conoce como PUNTO FRIO del envase. Tipos de transmisión de calor en una conserva: - Conducción - Convección - Radiación Siendo las dos primeras las mas importantes en los procesos de esterilización comercial.

Los productos se calientan por convección tienen el Punto frío ubicado sobre el eje vertical del envase y cerca del fondo. Debido a los desplazamientos de líquidos de diferentes temperaturas. Punto frío

Los productos se calientan por conducción tienen el Punto frío ubicado sobre el centro geométrico del envase. Punto frío

En los estudios de transmisión de calor se utilizan 3 termocuplas ubicadas en distintas posiciones. Las mediciones se registran en papel semilogaritmico, determinando el termopar de calentamiento mas lento. Determinación de la curva de penetración de calor Se utilizan 6 ó 7 envases perforados en el punto frío con una termocupla. Para el calentamiento es necesario fijar previamente el tiempo de elevación de la temperatura o coming up time (CUT) generalmente es de 8 - 10 min. La Tº se registra en intervalos iguales y dependiendo de la velocidad de calentamiento. Se grafican los datos en 3 escalas semilogaritmicas invertidas, el tiempo en minutos se representa sobre la escala lineal y la Tº en ºF en la escala logaritmica.

Tipos de curvas a obtener: 1.Linea Recta: Es la mas común y se presenta en la mayoría de los casos. 2.Curva quebrada: Se presenta en algunas sopas espesas, maíz envasado en salmuera y ciertos jugos de tomate. ¿Por que se quiebra la curva? TEORIA 1: Se debe al cambio de estado de la solución envasada, que pasa de estado SOL (transmisión por convección) a GEL (transmisión por conducción). TEORIA 2: Pequeñas cantidades de aire en el autoclave impedirían la condensación del vapor sobre el envase, con lo que el calor no desarrollaría su calor latente.

Determinaciones de los factores “fh” y “J” El factor “fH” representa la pendiente de la curva de penetración y es igual al nº de minutos que demora la curva en atravesar un ciclo logarítmico. “RT” (Retort Temperature) corresponde a la temperatura de trabajo. “Ta” Temperatura inicial teórica o pseudoinicial. Para su calculo se determina que el 42% del CUT tiene un valor letal se obtiene multiplicando el CUT por 0,58. Se levanta la vertical en el punto de la escala lineal de tiempo que representa ese 58%, hasta interceptar la curva de penetración de calor, se obtiene de esa forma la temperatura pseudoinicial.

Curva de penetración de calor Ta CUT · 0,58

Definición de variables: JI = RT - Ta IT = Temperatura al minuto cero en el punto frío. I = RT - IT ; Diferencia entre la temperatura del proceso y la temperatura inicial. J = JI / I ; relación que establece la des-uniformidad del calentamiento en la fase inicial. Z = Pendiente de la curva TDT (C. Botulinum) g = RT - Temperatura del producto al final del proceso. Fo = Tiempo en minutos, requeridos para destruir una determinada cantidad de gérmenes o esporas a 250ºF. Para efectos de cálculo de proceso térmico, se requiere valores mas altos de J y fH, ya que estos indican una penetración de calor lento (peores condiciones de esterilización)

Determinación de la curva mas lenta En los estudios de penetración de calor se utiliza como mínimo 6 termocuplas. Se grafica en papel semilogarítmico, se determina la pendiente de la curva en un sistema lineal. y = a + bx Se grafica x (tiempo) versus y (log To - T), donde To es la temperatura del proceso (RT) y T es la temperatura en cada instante del proceso.

Ejemplo: A partir de los siguientes datos calcule el valor de fH en la curva de mas lenta. Temperatura de proceso = RT = To =239ºF = 115ºC Grafica de T versus Log (To - T)

Gráfico de Tiempo versus Log(To-T)

y = -0,0058x + 1,8863 Log (To-T) = -0,0058·t + 1,8863 Para el tiempo 0, mediante la ecuación se obtiene la temperatura corregida: Log (239-T) = -0,0058·0 + 1,8863 (239 - T) = Antilog (1.8863) T = 162.2 ºF

Se obtiene así la pendiente de la recta: m = -0.0058 El valor de fH se calcula como: fH = 1 = 1 = 172,41 |m| |-0.0058| A mayor valor de fH, mas lento es el calentamiento.

Cálculos de procesos de esterilización Los métodos de calculo de tratamiento térmico involucran una correlación de los datos de penetración de calor y datos TDT, los métodos utilizados son: - Método general o gráfico de Bigelow - Método de fórmula o matemático de Ball - Método del Nomograma o de Olson y Steven Método General Es un método de integración gráfica, basado fundamentalmente en que cada punto de la curva de calentamiento o enfriado representa cierto valor letal para los microorganismos.

La esterilidad se obtendrá integrando la ecuación: T2 : Fin del calentamiento T1 : Inicio del calentamiento Método: Se dibuja la curva en un papel milimetrado y se cuentan los cuadrados encerrados bajo ella. La velocidad letal corresponde al inverso del tiempo necesario para destruir cierto M.O. es decir, (1 / Fi). Si se calculan estas velocidades letales y se integran gráficamente estos valores se obtiene la esterilidad total de un proceso.

Calculadora: Ejemplo: Se ha determinado la curva mas lenta en una termocupla en un estudio de penetración de calor a una temperatura de calentamiento de 115ºC. Determine el tiempo de esterilización aplicando el método general, con valores Z = 18 y Fo=2,78. Resolución: Calculo de tiempo necesario para eliminar cierto M.O.: Calculadora: Log Shift 10x 10((250-85.3)/18) Z = 18 Siempre se utiliza este valor, Clostridium botulinum. RT = 115ºC = 239ºF Temperatura de esterilización.

Ftotal= Fcalentamiento + Fenfriamiento Suma Fcalentam. Fenfriamiento Calentamiento Enfriamiento Ftotal= Fcalentamiento + Fenfriamiento

Ftotal= 2.00507+0.271345 Ftotal= 2.277317 < Fo = 2.78 Significa que el proceso no satisface la letalidad esperada, se debe agregar tiempo adicional. Deficit = 2.78 - 2.277517 = 0.50268 El tiempo adicional a 239ºF (letalidad 0.2448) Se aproxima a 3 min. Por lo tanto el tiempo debe ser: 20 min + 3 min = 23 min de calentamiento + 5 min de enfriamiento Tiempo de esterilización = 28 min.

B = fH (logJI - log g) Método matemático de Ball Aplicable para productos de curva de penetración de calor representada por una o dos rectas. A) Curva de penetración de calor es una recta. Términos utilizados: Z; fH; IT; I=RT-IT; JI=RT-Ta; J=JI/I; Fo(Tabla 1,2,3); Fi. U = Fo · Fi (Letalidad en minutos, a la temperatura de calentamiento) m+g = RT - Tw (Tº de calentamiento - Tº del agua de enfriamiento) B = Tiempo en minutos del proceso B = fH (logJI - log g)

Ejemplo: Con los datos del ejemplo anterior calculamos; RT = 239ºF Z = 18 Fo = 2.78 Tw = 15ºC = 59ºF m+g = 239 - 59 = 180ºF IT = 85.3ºF I = 239 - 85.3 = 153.7ºF JI = 239 - 91 = 148 Fi = antilog((250-239)/18) = 4.084 U = Fo · Fi = 2.78 · 4.08 = 11.34 fH = 5.45 fH/U = 5.45 / 11.35 = 0.48 Con este valor en Figura Nº3 log g = -1.4 log JI = log 148 = 2.17026 Ahora aplicamos la formula:

B = fH (logJI - log g) B = 5.45 (2.17026 - (-1.4)) B = 5.45 · 3.56 B = 20 minutos Tiempo de esterilización 20 minutos

Temperatura (ºF) Tiempo (min) B) Curva de penetración de calor es una curva quebrada 1 10 100 1000 5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Tiempo (min) Temperatura (ºF) fH gbh f2

La fórmula para determinar el tiempo de tratamiento térmico es: B = X + f2 (log gbh - log g) Donde: X : Número de minutos desde el inicio del proceso hasta el punto de quiebre de la curva. Incluye el 42% del CUT. gbh: RT - temperatura del producto en el punto de quiebre de la curva de penetración de calor. f2 : La pendiente de la curva después del quiebre.

Ejemplo: Un ensayo de penetración de calor con curva quebrada se han registrado los siguientes datos: Z = 18 RT = 239ºF Fo = 5.33 IT = 184.44 Tw = 15ºC = 59ºF m+g = 239 - 59 = 180ºF fH = valor antes del punto de quiebre = 43.2 f2 = Valor después punto de quiebre = 143.1 Ta = 199ºF JI = 239 - 199 = 40 gbh = RT - Temperatura del producto en pto. de quiebre = 239 - 234.9 = 4.1 Con los datos se calcula lo siguiente ….

Con los siguientes valores: Z = 18 m + g = 180ºF Log gbh = log 4.1 = 0.61278 En el gráfico Figura Nº4: rbh = 0,8 Figura Nº4

Rbh=0,8 0,61

Se utiliza la misma figura Nº3, con los valores siguientes: log gbh = log 4.1 = 0.61278 Z = 18 m + g = 180 fh/Ubh = 3.5 Ahora se utiliza la ecuación: Figura Nº3 Con este valor de fH/U se entra a la figura Nº3 se obtiene el valor de log g; Log g = 0.55

Fh/Ubh = 3,5 Log gbh = 0,61 0,61 Log g = 0,55

B = X + f2 (log gbh - log g) B = 42.7 + 143.1 (log 4.1 - log 0.55) Calculo del tiempo de esterilización: B = X + f2 (log gbh - log g) B = 42.7 + 143.1 (log 4.1 - log 0.55) B = 51.7 min. Es decir: 52 min.

Método de Nomogramas Los nomogramas se originan en el método formula y es una forma simple de calcular gráficamente el tiempo de esterilización, se trabajan en función de m+g = 180ºF, existen dos tipos que son los siguientes:

Nomograma Nº1 Procedimiento: a) Unir el valor de Fo en la escala 1 con el valor de RT de la escala 4, originando un punto en la línea 3. b) Unir a continuación el valor fH de escala 2 con el punto obtenido en la línea 3 y marcar un punto en la escala 4. c) Encontrar en la escala 5 el punto correspondiente en la escala 4. d) Conectar el valor de RT-IT en la escala 7 y conectarlo al de J en la escala 5, obteniendo un punto en la línea 6. e) Conectar el punto de la línea 6 al punto obtenido anteriormente en la escala 5 y conseguir un punto en la línea 7. f) Conectar el el punto de la escala 7 a fH en la escala 8 encontrando de esta manera el tiempo del proceso en la escala 9.

EJEMPLO: Con los siguientes parámetros calcular el tiempo de procesamiento de la conserva usando el método de Nomogramas: J = JI/I = 148/153,7 = 0,96 fH = 5,45 Z = 18 m+g = 180 RT = 239ºF IT = 85,3ºF I = RT – IT = 239 – 85,3 = 153,7 JI = RT – Ta = 239 – 91 = 148 Fo = 2,78

22 minutos

Nomograma Nº2 Procedimiento: a) Conectar el valor de J al RT - IT, obteniéndose un punto en R1. b) Conectar el punto obtenido en R1 al valor de fH consiguiendo otro punto en R2. c) Conectar el valor de Fo al valor de Fh obteniéndose un punto en R3, c) Conectar los puntos de las líneas R2 y R3, consiguiendo el tiempo de proceso B.

Tiempo = 22 min.