La destrucción térmica de microorganismos, enzimas, nutrientes y características sensoriales de los alimentos, describen una cinética de primer orden.

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2 La destrucción térmica de microorganismos, enzimas, nutrientes y características sensoriales de los alimentos, describen una cinética de primer orden (dependen exclusivamente de la concentración del componente en cuestión), que comúnmente es denominada de tipo exponencial (o logarítmica en forma linearizada) es decir, para un intervalo de tiempo, siempre se destruye un mismo porcentaje de cada componente ó población microbiana. La constante de la velocidad de la reacción que es función de la temperatura: Si la temperatura es constante, k es constante:

3 Al someter una población microbiana a la acción del calor, a una temperatura constante, el número de sobrevivientes es una función exponencial del tiempo de tratamiento, es decir, el número de sobrevivientes es constante para períodos de tratamiento iguales. La ecuación de sobrevivencia microbiana se obtiene de la siguiente forma: Reordenando los términos e integrando la ecuación: Donde: N = concentración de microorganismos viables k = constante de velocidad específica de muerte (min -1 ) t = tiempo (min)

4 Donde: No = número de microorganismos al inicio del tratamiento N = número de sobrevivientes después del tiempo de tratamiento t = tiempo de tratamiento en minutos a temperatura constante k = constante de velocidad específica de muerte Ecuación de sobrevivencia o Ecuación de destrucción térmica (antiguamente )

5 Representación gráfica de la ecuación de sobrevivencia:

6 Linearización de la ecuación de sobrevivencia Ecuación de sobrevivencia linearizada Y  b ─ m X

7 Representación gráfica de la ecuación de sobrevivencia linearizada: m = - (log N 0 - log N) ; D m = - (log N 0 / log N) = - 1/D D m = - k/2.303 Si: - k/2.303 = - 1/D Entonces: D = Tiempo de reducción decimal

8 El tiempo de termodestrucción (D) varía para cada temperatura (de ahí el subíndice t), es diferente para distintos microorganismos, distintos entornos y diferentes condiciones fisiológicas. Se define el valor D como el tiempo necesario para reducir el 90% de la población microbiana, o bien, el tiempo necesario para que la Curva de Sobrevivientes atraviese un ciclo logarítmico a una temperatura dada. Conociendo el valor D de un moo., a una temperatura definida así como el número de reducciones decimales deseadas, se podrá determinar cuál será la duración del tratamiento a aplicar a esa temperatura constante.

9 EJEMPLO: EJEMPLO: Determinar el valor del tiempo de reducción decimal a 116 º C (D 116 ) de un microorganismo a partir de los siguientes datos de supervivencia al tratamiento. Duración del tratamiento Número de viables (N) Log N 5340.02.5314 1065.01.8129 1519.01.2787 204.50.6532 251.30.1139 Realizar una regresión lineal para encontrar el valor de la pendiente: m= -0.119894 m= -1/D ; D= -1/m D= -1/-0.119894 = 8.34 min

10 Determinar el valor del tiempo de reducción decimal a 116 º C (D 116 ) de un microorganismo a partir de los siguientes datos de supervivencia al tratamiento Duración del tratamiento Número de viables (N) 5340.0 1065.0 1519.0 204.5 251.3 Aplicando la fórmula:

11 El valor de D sirve para comparar las velocidades de destrucción para un mismo microorganismo a diferentes temperaturas. Entre sea un moo., será el valor D y por lo tanto, se requiere para alcanzar una reducción del 90% de la población de moos. Entre más termorresistente sea un moo., más elevado será el valor D y por lo tanto, se requiere mayor tiempo para alcanzar una reducción del 90% de la población de moos. Los moos. mueren a todas las temperaturas superiores a la letal mínima, por lo tanto, lo harán más rápidamente a temperaturas altas.

12 A pesar de que un tratamiento térmico sea severo siempre habrá la oportunidad de sobrevivencia. Esta probabilidad de sobrevivencia puede ser extremadamente pequeña pero como se aprecia en la tabla, teóricamente es imposible lograr una esterilización absoluta. La probabilidad de sobrevivencia en cualquier proceso es directamente proporcional a la población original.

13 l Desde el punto de vista de la salud alimentaria, se suele requerir un tratamiento 12D de los productos susceptibles de ser portadores de microorganismos patógenos. De lo que se trata es de fijar un factor de reducción que equivalga a una probabilidad de supervivencia tan baja que no implique un rie sgo para el consumidor y a esto es a lo que se le llama “esterilidad comercial”. Para alcanzar una seguridad suficiente respecto a la destrucción de los microorganismos, se utilizan las siguientes reducciones decimales: Tres reducciones decimales (3D) para productos con pH 4.5 (conservas tropicales). Cinco reducciones decimales (5D) para productos con pH > 4.5, (destrucción de Clostridium sporogens). Seis reducciones decimales (6D) para productos de frutas (destrucción de Byssochlamys fulva). Doce reducciones decimales (12D) para destruir Clostridium botulinum.

14 z = Constante de resistencia térmica Si ahora se representa en papel semilogarítmico el logaritmo de los valores de D a diferentes temperaturas, se obtendrá también una línea recta de pendiente negativa, conocida como resistencia térmica y que se denota como valor "z", que corresponde al paso de la recta por un ciclo logarítmico, o lo que es lo mismo, al valor del reciproco negativo de la pendiente de la recta. Del mismo modo que se obtuvo el parámetro D, se puede determinar otro parámetro muy importante en la cinética de muerte microbiana que define la termorresistencia característica de cada especie de microorganismo en un medio de composición definida. Esta curva es conocida como Curva de Tiempo de Destrucción Térmica (TDT) que relaciona los logaritmos del tiempo de destrucción decimal (Dt) con la temperatura y cuya ecuación de la recta es la siguiente:.

15 El valor z es el número de grados centígrados o de grados Fahrenheit correspondientes al paso de un ciclo logarítmico de la recta en la Curva de Destrucción Térmica, es decir, los grados requeridos para reducir 10 veces el tiempo de reducción decimal. Valores z pequeños, indican variaciones o cambios significativos en los componentes con poco cambio de T = Gran Dependencia. Valores z grandes, indican que se necesitan cambios grandes en la T para afectar algún componente = Alta resistencia  Z = 20ºC  Un tratamiento de 5 min a 100ºC equivale a 0,5 min a 120ºC

16 La siguiente gráfica muestra curvas de destrucción térmica para un microorganismo patógeno (Salmonella, z=7 °C) y para una vitamina (ácido ascórbico, z=32.2°C). Puede verse que, a bajas temperaturas y tiempos prolongados, la vitamina se destruye antes que el patógeno, mientras que a temperaturas altas y tiempos bajos, es posible destruir el patógeno sin dañar la vitamina.. La dependencia térmica de células vegetativas, esporas y enzimas termolábiles es aprox. 6 veces mayor que la de las vitaminas y las cualidades sensoriales.

17 EJEMPLO: EJEMPLO: Los tiempos de reducción decimal “D” para una suspensión de esporas se midieron a diferentes temperaturas, obteniéndose los datos que se exponen en el cuadro. Determine la constante de resistencia térmica “z” para las esporas. Temperatura (°C) Valor D (min) Log D 10427.5 1.44 10714.5 1.16 1107.5 0.88 1134.0 0.60 1162.2 0.62 Realizar una regresión lineal para encontrar el valor de la pendiente: m= -0.0918 m= -1/Z ; Z= -1/m Z= -1/-0.0918 = 10.89 °C

18 Los tiempos de reducción decimal “D” para una suspensión de esporas se midieron a diferentes temperaturas, obteniéndose los datos que se exponen en el cuadro. Determine la constante de resistencia “z” térmica para las esporas. Temperatura (°C) Valor D (min) 10427.5 10714.5 1107.5 1134.0 1162.2 Aplicando la fórmula:

19 1.- Un cultivo que contiene 800 esporas por mL se divide en varios recipientes que se exponen a una temperatura de 245º F por distintos tiempos. El número de supervivientes luego de los tratamientos se muestra a continuación: Tiempo (min)Esporas/mL 0800 10190 2027 306 401 500.2 Determine el valor D 245 2.- El procedimiento anterior se repitió para las temperaturas de 230 °F y 260 ºF dando como resultado que D 230 = 40 min y D 260 = 5 min. Hallar el valor z.

20 3.- En la siguiente tabla se muestra diversos valores para D, medidos para un microorganismo. Temperatura (°F)D (min) 23019.65 23510.47 2404.92 2452.56 2501.23 Obtener el valor de z.

21 Este parámetro, se conoce como el Tiempo de Destrucción Térmica (TDT) y se puede expresar en minutos o como un múltiplo del valor D como sigue: F = n D, donde n es el número de reducciones decimales en la población microbiana: Para una reducción en la F población microbiana de: El valor F será igual a: 90 % D 99 % 2D 99.9 % 3D 99.99 % 4D Es decir, mientras que D es el tiempo necesario para reducir un 90% la población microbiana a una temperatura constante, F representa el tiempo requerido para reducir la carga microbiana por un múltiplo de D también a temperatura constante.. El valor F es el tiempo necesario a una temperatura definida, para reducir la población microbiana o las esporas presentes en un alimento hasta un valor establecido o deseado para conseguir un determinado grado de reducción.

22 Debido a que el valor de F es específico para una temperatura y un microorganismo dados, en ocasiones suele indicarse la temperatura a la cuál se calculó y el valor z del microorganismo al cuál está dirigido, de la forma siguiente; Donde: El subíndice “T" indica la temperatura de tratamiento El superíndice “z“ identifica el valor de z Cuando F es igual a 4D, indica que en el tiempo de tratamiento F, la población microbiana se reducirá en un 99.99%. Por ejemplo; si para un microorganismo el valor de D fuera de 5 minutos y la población microbiana un millón de células por mL, entonces se requieren 20 minutos para reducir la población al orden de 100 células por mL. En los procesos de pasteurización y esterilización, la determinación del valor D y los cálculos del valor F se hacen asumiendo que se reduce la población del microorganismo contaminante más resistente, por lo que para un tratamiento particular se reducirá también en igual o mayor grado la población de otros microorganismos menos resistentes.

23 Para designar el equivalente en minutos, a una temperatura dada, de la sumatoria de las letalidades de cada una de las combinaciones tiempo temperatura, en el punto frio de un producto cualquiera, se parte de la ecuación de la recta obtenida de la curva de sobrevivencia: Donde t es el tiempo de duración del tratamiento térmico, por lo cual se puede expresar como sigue: Donde: F = Es el tiempo (min), requerido para lograr el grado de reducción de la población microbiana hasta el nivel deseado (letalidad). D T = Es el tiempo de reducción decimal. N 0 = Número inicial de microorganismos N = Número final al que se pretende llegar (log N 0 – log N) = Número de reducciones decimales n

24 EJERCICIOS: 1. Calcular el tiempo de tratamiento térmico necesario para reducir la población microbiana presente en un alimento desde 1 000 000 hasta 100. El tiempo de reducción decimal a 121°C para este microorganismo es de 30 segundos. 2. Cuanto tiempo se deberá calentar a 70 ºC un producto para reducir su carga microbiana a una bacteria por mL si partimos de una población inicial de 10 000 000 bacterias por mL y su D 70 es de 20 s. 3. Sabiendo que a 121 ºC el tiempo de reducción decimal de Clostridium botulinum es 0.21 min. Calcular en número de microorganismos sobrevivientes si partimos de una concentración inicial de 100 000 células y aplicamos el tratamiento durante 4.2 min.

25 Los procesos térmicos para alimentos se evalúan y se comparan en términos de valores F. El valor F a una temperatura de referencia dada se conoce como F 0, que es el tiempo en minutos equivalente a todo el calor destructivo o letal de un proceso con respecto a la destrucción de un microorganismo en el punto crítico (punto frio del producto) caracterizado por un cierto valor z. Debido a que comúnmente se asume un valor z de 10 °C (18 ºF) para las esporas, los valores F calculados con este valor se han convertido en estándar y son designados como F 0. La temperatura de referencia es habitualmente 121ºC (250 ºF), por lo tanto F 0 = F 18 250 en escala Fahrenheit de temperatura o bien, F 10 121 en la escala Celsius. Como el F 0, se refiere al efecto letal integrado total, expresado en forma de minutos a 250 °F o 121 °C, de un tratamiento térmico, la ecuación F = n D de este parámetro se expresa como F 0 = n D ref y se representa de la siguiente manera: o bien,

26 EJEMPLO: Si se ha determinado que para esporas de Clostridium botulinum suspendidas en buffer fosfato el D 121 = 0.21 min, ¿Cuánto tiempo llevaría reducir una población de 10 12 esporas de C. botulinum en buffer fosfato a 1 espora a 121°C? Datos: N 0 = 1 x 10 12 esporasF 0 = D (log N0 – log N) N = 1 espora D 121 = 0.21 min F 0 = 0.21(log 1 x 10 12 – log 1) F 0 = ¿? F 0 = 0.21 (12– 0) F 0 = 2.52 min

27 La ecuación que relaciona el valor F con la historia tiempo temperatura del proceso, que la población de un determinado microorganismo o esporas, han experimentado entre los tiempos inicial y final de dicho proceso, se deriva de la ecuación de la recta de resistencia térmica de la siguiente forma:

28 La ecuación resultante también puede expresarse en términos de F, de acuerdo a la siguiente ecuación En donde: T 2 = Temp. a la que se desea efectuar el tratamiento térmico T 1 = Temp. de referencia para el tratamiento térmico F T 2 = Valor esterilizante buscado ( a T 2 ) F T 1 = Valor esterilizante conocido ( a T 1 ) z = Valor “z” del microorganismo utilizado como base del proceso Ecuación de muerte térmica

29 Cuando se quieren comparar tiempos de exposición equivalentes a 121 °C o 250 °F, entonces el valor = F 0 = o, mientras que = F requerido, de a cuerdo con las siguientes ecuaciones: O bien La ecuación anterior es útil para comparar tiempos de exposición equivalentes, pero realizados a temperaturas diferentes. Si se conoce el valor a una temperatura dada (T1) para el microorganismo con el valor z correspondiente, puede calcularse un nuevo valor Por ejemplo, si se quiere determinar el tiempo equivalente a 121°C de un tratamiento térmico a 111ºC durante 15 minutos: Equivaldría a un tratamiento de 1.5 minutos a 121ºC.

30 Se pretende conseguir la destrucción térmica de las esporas de Clostridium botulinum en una conserva. Conocemos que para este microorganismo se consiguen 12 reducciones decimales cuando: se aplica una temperatura de 105°C durante 103 minutos o cuando se aplican 117°C durante 6,5 minutos. Calcular: 1. Los tiempos de tratamiento para obtener 12 reducciones decimales a las temperaturas de 100 °C y de 120 °C. 2. La duración de la reducción decimal a 121 °C.