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Información sobre la ingeniería de alimentos iii, con énfasis en las operaciones de conservación. Se abordan conceptos como la cinética de reacción, la inactivación térmica de microorganismos y enzimas, el tiempo de reducción decimal, la letalidad de procesos térmicos y la transferencia de calor. El documento incluye ecuaciones y diagramas para mejorar la comprensión.
Tipo: Monografías, Ensayos
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Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación caracterización de una reacción comodeseable o indeseable es una cuestión de grado. La proteólisis en algunos quesos es esencial para el desarrollo del sabor. Un exceso de esta supone un deterioro. Otra forma de clasificar las reacciones en los alimentos se basa en la distinción entre reacciones catalizadas por enzimas (enzimáticas) y reacciones no enzimáticas. A menudo, las reacciones no enzimáticas reacciones no enzimáticas se denominan reacciones químicas, mientras que las reacciones en las que intervienen enzimas o células se denominan reacciones bioquímicas. Una interesante aplicación son los procesos térmicos. El diseño racional de un proceso térmico requieredatos de dos áreas: la cinética de la inactivación térmica (destrucción térmica, muerte térmica) y la distribuciónde la función tiempo-temperatura dentro de la masa del material (transferencia de calor, penetración del calor).
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación
N° Objetivos Educacionales OE 1 El graduado del Programa de Ingeniería de Industrias Alimentarias se desempeña profesionalmente de forma competente para planificar procesos industriales de alimentos, mediante el uso de operaciones unitarias que incorporan herramientas de ingeniería y tecnologías de transformación física, química y microbiológica, con responsabilidad ambiental. OE 2 El graduado del Programa de Ingeniería de Industrias Alimentarias se desempeña profesionalmente de forma competente para diseñar proyectos en la industria alimentaria relacionándolos con el desarrollo del país, con atención a la optimización de los procesos y a la creación de productos innovadores. 0E 3 El graduado del Programa de Ingeniería de Industrias Alimentarias se desempeña profesionalmente de forma competente para gestionar empresas de la industria alimentaria, con atención a la eficiencia y a las buenas prácticas de manufactura e inocuidad que requiere cada proceso. 0E 4 El graduado del Programa de Ingeniería de Industrias Alimentarias se desempeña profesionalmente de forma competente promoviendo la autonomía para aprender, con creatividad, pensamiento crítico y trabajo colaborativo, con conocimiento de la realidad del entorno socioeconómico y cultural con atención al desarrollo sostenible y a la ética profesional.
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación
Si una suspensión de células (células vegetativas o esporas) de un determinado microorganismo se calienta por encima de una determinada temperatura, se produce la muerte del microorganismo, es decir el número de células vivas se reduce gradualmente. Las temperaturas a las que se produce esta destrucción se denominan "temperaturas letales". La experiencia demuestra que cuando una suspensión homogénea de células se mantiene a una temperatura letal constante temperatura letal, la disminución del número de células vivas con el tiempo es casi logarítmica. Esta relación fue demostrada por primera vez por Viljoen (1926) en un experimento ya clásico experimento con esporas bacterianas. Estas observaciones condujeron al desarrollo de un modelo cinético de primer orden para la destrucción térmica de microorganismos. Si N es el número de células supervivientes en el tiempo t, el modelo de primer orden se escribe como sigue: La integración nos da el tiempo de reducción decimal D se define como la duración (normalmente en minutos) del tiempo de calentamiento a una temperatura letal constante (de ahí la calificación de tales procesos como procesos isotérmicos) necesaria para la reducción del número de células vivas en un factor de 10 (es decir, en un factor logarítmico). De ello se desprende que: El tiempo de reducción decimal depende del microorganismo, de la temperatura y del medio (pH, potencial redox, composición) (Fig. 7). Según el modelo de destrucción de primer orden, la esterilidad completa(N = 0) no puede nunca puede alcanzarse. Por lo tanto, el concepto de "esterilidad comercial" se define convencionalmente como el objetivo de la esterilización térmica práctica. El modelo cinético de la muerte térmica de los microorganismos también se aplica a la inactivación térmica de las enzimas. de las enzimas. Figura 7. El modelo log-lineal de reducción térmica de los microorganismos.
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación Es importante destacar que el modelo cinético de primer orden de la destrucción térmica de microorganismos no se basa en ningún mecanismo biológico conocido de la muerte térmica de las células. El modelo simplemente proporciona una de las muchas expresiones posibles de ajuste de curvas para representar los resultados experimentales observados. Por ejemplo, Peleg (2006) propone la siguiente expresión como un posible modelo cinético (Weibuliano) que requiere dos parámetros dependientes de la temperatura b(T) y n(T), y que elimina el concepto de tiempo de reducción decimal: El modelo logarítmico-lineal es notablemente sencillo y se ajusta bastante bien a los resultados experimentales, sobre todo mientras el número de supervivientes siga siendo "contable". Sin embargo, las desviaciones del comportamiento log-lineal formal se observan aparentemente con tanta frecuencia que algunos investigadores afirman que el modelo es "la excepción y no la regla" (Peleg, 2006). Conceptualmente, el modelo log-lineal es incapaz de explicar por qué algunas de las células mueren y otras no, cuando se exponen a la misma temperatura durante el mismo tiempo. Claramente, la consideración de una distribución de la resistencia térmica en la población de la población en la construcción del modelo cinético de inactivación térmica. A pesar de la existencia de modelos más avanzados (Peleg, 2006; Corradini y Peleg, 2007; Peleg et al., 2005, 2008), el enfoque de primer orden es, por el momento la vía principal utilizada en la práctica para el diseño y la evaluación de los procesos térmicos.
Dentro del rango de temperaturas letales, la tasa de destrucción se acelera (D se acorta) al aumentar latemperatura. Los experimentos muestran una relación casi lineal entre el logaritmo de D y la temperatura (Fig.8). donde D 1 y D 2 son el tiempo de reducción decimal a las temperaturas T 1 y T 2 respectivamente. El "valor z" se define como el incremento de temperatura necesario para una aceleración de 10 veces aceleración de la tasa de destrucción térmica (es decir, para acortar D en un factor de 10). Para muchas bacteriasformadoras de esporas de interés en el procesamiento de alimentos, z = 8-12 °C. La relación logarítmica entre la tasa de inactivación térmica y la temperatura está de acuerdo con el modelo de Arrhenius para el efecto de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones químicas, expresado como la siguiente ecuación: Donde:
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación añadiendo un tercer parámetro numérico TC (Peleg et al., 2008): Corradini et al. (2008) han desarrollado la simplificación del trabajo matemático o experimental que requiere este enfoque.
De la discusión anterior puede concluirse que la misma letalidad, es decir, la misma reducción del número de microorganismos, puede lograrse con diferentes combinaciones de tiempo y temperatura. Para comparar diferentes procesos en cuanto a su letalidad, se define el concepto de "valor F". El "valor F" es la duración (en minutos) necesaria para lograr una determinada proporción de reducción del número de microorganismos a una temperatura constante dada. De ello se desprende que: Si, por ejemplo, se especifica log (N0/N) = 12, entonces F = 12 D. Para la esterilidad comercial en alimentos poco ácidos, se suelen especificar procesos de reducción de 12 logs o 12 D (Pflug y Odlaugh, 1978). La consecuencia práctica de un proceso de reducción de 12 logs es que, si el alimento contiene originalmente 10^3 esporas del microorganismo objetivo por gramo, contendrá 10^9 esporas por gramo después del procesamiento. Si el alimento se envasa en unidades de 500 g cada uno, uno de cada 2 millones de paquetes contendrá una espora viable. Este cálculo "determinista" es obviamente una simplificación excesiva. Los métodos más sofisticados para la evaluación del riesgo de deterioro en los alimentos procesados térmicamente tienen en cuenta algunos de los factores que el método simplificado no tiene en cuenta. En cualquier caso, hay que recordar que la práctica 12D es sólo una convención, considerada segura. La validez de la extrapolación del concepto de reducción decimal sobre 12 ciclos logarítmicos es dudosa y no se puede creer que un proceso con la duración de 12D con certeza que cause una reducción de 12 logs de las células vivas. Consideremos un proceso térmico durante el cual la temperatura T del producto varía según un perfil tiempo-temperatura conocido, T = f(t). Una determinada relación de reducción logarítmica log (N 0 /N). Queremos calcular la duración en minutos (el valor F) de un proceso equivalente a una temperatura constante dada (temperatura de referencia R) que diera lugar a la misma relación de reducción. El cálculo requiere la especificación de la temperatura de referencia R y el conocimiento del valor z del microorganismo considerado. El valor F del proceso equivalente es Para los procesos de esterilización térmica, la temperatura de referencia estándar R es de 250 °F o 121 °C y el valor estándar z es de 18 °F o 10 °C. Los índices R y z se omiten por comodidad y la norma F se escribecomo F0. Entonces,
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación El valor F 0 de cualquier proceso de esterilización térmica es el número de minutos de calentamiento a 121 °C necesarios para lograr la misma proporción de destrucción térmica de un determinado microorganismo objetivo. Con toda la reserva expresada respecto a los modelos formales utilizados como base para su definición, el concepto F 0 es útil para comparar procesos térmicos con diferentes perfiles de tiempo y temperatura y para especificar las condiciones de condiciones de tratamiento térmico recomendadas para los productos comerciales. El cálculo de F0 para un proceso con un historial de tiempo-temperatura conocido consiste en calcular la integral de la ecuación, basándose en el perfil tiempo-temperatura del proceso. Este perfil se obtiene experimentalmente o se calcula según la teoría de la transferencia de calor. Esto se conoce como el "método general" y se utiliza ampliamente para el diseño de los procesos térmicos. Un enfoque alternativo consiste en escribir tanto la cinética de inactivación microbiana y la penetración del calor como ecuaciones y combinar las ecuaciones en fórmulas. Esto se conoce como "fórmula" o "método Balls" (Ball y Olson, 1957). Storofos (2010) ha proporcionado recientemente un detallado análisis crítico del método de la fórmula de Ball.
La optimización de los procesos térmicos con respecto a la calidad de los alimentos significa la búsqueda de condiciones de procesado que proporcionen la conservación requerida, con el con el menor daño posible a la calidad organoléptica y nutricional del producto (Van Loey et al., 1994; Awuah et al., 2007a; Erdoğdu y Balaban, 2002). La destrucción de los microorganismos no es la única consecuencia del tratamiento térmico. Otros efectos térmicos de efectos térmicos incluyen: − Inactivación de las enzimas: Esto es deseable y esencial para la estabilidad a largo plazo. − Cocción: Un gran número de reacciones químicas diferentes que afectan a la calidad del producto: cambios en la textura, el sabor, el color y el aspecto. Estos cambios suelen ser deseables hasta cierto punto, pero objetables más allá. − Destrucción de componentes nutricionalmente significativos, como las vitaminas sensibles al calor. − Formación de compuestos indeseables como la acrilamida. Los parámetros cinéticos de estos efectos son diferentes a los de la destrucción térmica de los microorganismos. Como hemos visto, el valor z de las reacciones químicas ordinarias es mayor que el de la muerte térmica de los microorganismos. De ello se deduce que para una F 0 igual, el procesamiento a una temperatura más alta durante un tiempo más corto da lugar a menos daño térmico a la calidad. Este es el fundamento teórico del método "Alta temperatura-tiempo corto" (HTST) (Jacobs et al., 1973). El enfoque HTST se aplica ampliamente [por ejemplo, en la producción de leche a temperatura (UHT)de la leche], pero tiene ciertas limitaciones prácticas: El valor z para la inactivación enzimática es también más alto que el de la esterilización (Awuah et al., 2007b). Por lo tanto, para un valor F 0 igual, la inactivación enzimática enzima será menor si el proceso se lleva a cabo a una temperatura más alta temperatura. Por lo tanto, la temperatura de proceso más alta
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación opción se enfrenta a una serie de problemas. Los costes de capital y de funcionamiento de los sistemas de microondas son mucho más elevados que los sistemas convencionales. No se pueden utilizar recipientes metálicos. La esterilización a temperaturas superiores a 100 °C requiere presurización externa (Tang et al., 2008). Por otro lado, la pasteurización por microondas a temperaturas inferiores a 100 °C se ha aplicado con éxito a las hortalizas acidificadas (Koskiniemi et al., 2011; Lau y Tang, 2002) y a artículos listos para el consumo para un almacenamiento breve (Burfoot et al., 1988, 1996). La calidad de los productos tratados con microondas se ha comprobado que son de alta calidad, pero su mayor coste es un problema. 3.6.2. El material de embalaje La conductividad térmica del aluminio y la hojalata es alta, la del vidrio es relativamente baja (véase la tabla). En todos los casos, la resistencia del envase a la transferencia de calor es relativamente insignificante,debido a su pequeño espesor. 3.6.3. Transferencia de calor interna La transferencia de calor a través del producto puede ser por convección, por conducción o por ambas.En alimentos sólidos (pastel de carne, atún en envase sólido, etc.), la conducción es el modo principal. En alimentos líquidos predomina la transferencia de calor por convección. En los productos formados por partículas sólidas en un medio líquido (fruta en almíbar, verduras en salmuera, carne en salsa, tomatesen zumo de tomate) el calor viaja de la pared del envase al líquido y del líquido a los trozos sólidos. La ubicación del punto más frío depende del modo de transferencia de calor. En la transferencia puramente conductiva, el punto más frío es el centro geométrico del envase. En la transferencia convectiva sin agitación en una lata vertical, el punto más frío está a un tercio de la altura del fondo. En el caso de partículas sólidas grandes en un medio líquido de baja viscosidad, los puntos más fríos pueden estar distribuidos en el centro delas partículas sólidas. La resistencia interna a la transferencia de calor es, obviamente, el factor predominante. En los productos que contienen un medio líquido o semilíquido, esta resistencia puede reducirse considerablemente mediante la agitación. La agitación puede lograrse de varias maneras: (Price y Bhowmik, 1994; Holdsworth y Simpson, 2007):
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación a principalmente convectivo) durante el procesamiento térmico. En estos casos, la relación tiempo- temperatura se aproxima a veces mediante una línea discontinua, es decir, un cambio repentino de la pendiente fh (Berry y Bush, 1987). Figura 9. Curva teórica de penetración del calor. El cálculo de los procesos térmicos de alimentos en recipientes herméticos, basado en datos tiempo- temperatura obtenidos experimentalmente, conocido como el método general de Bigelow (Simpson et al., 2003) se utiliza ampliamente en la práctica desde 1920. Programas informáticos para el seguimiento en tiempo real de los procesos térmicos a la luz de los datos medidos de tiempo-temperatura (Tucker y Featherstone). disponibles (Tucker y Featherstone, 2011; Tung y Garland, 1978). Un método alternativo, conocido como método de la fórmula de Ball, hace uso de ecuaciones teóricas de supervivencia térmica y ecuaciones de penetración de calor. La precisión de varios métodos de fórmula fue examinada por Smith y Tung (1982). Los métodos de cálculo basados en las matemáticas de elementos finitos se han propuesto (Naveh et al., 1983).
Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente para la pasteurización o esterilización de productos bombeables (Aguiar y Gut, 2014). Calculemos la relación tiempo-temperatura en un producto alimenticio bombeable, que pasa a través de un intercambiador de calor tubular a un caudal másico G. El balance de calor a medida que el alimento pasa por un elemento dA de área de transferencia de calor da: donde: U = coeficiente global de transferencia de calor. TR = temperatura del medio calefactor. dA/dt se relaciona con el caudal másico de la siguiente manera:
Ingeniería de Alimentos III – Operaciones de Conservación La sustitución da como resultado: La integración da: Vemos que la relación tiempo-temperatura es logarítmica-lineal, igual que en el caso de la penetración del calor en el envase. Hay que tener en cuenta que T es la temperatura media del producto. La distribución real de la temperatura depende del grado de turbulencia y de la estructura física del producto, como en el caso de los productos formados por partículas sólidas en un medio líquido. En el calentamiento continuo en flujo, la temperatura del producto suele aumentar muy rápidamente y el tiempo de permanencia en el rango de temperatura letal es demasiado corto para una esterilización o pasteurización completa (Tragardh y Paulsson, 1985). Por lo tanto, es necesario mantener el producto calentado a alta temperatura durante el tiempo requerido, sin transferencia de calor. Esto se suele hacer instalando un tubo de retención o un recipiente de retención de dimensiones adecuadas después de la sección de calentamiento del intercambiador de calor. Otra opción para el tratamiento térmico en flujo es el calentamiento óhmico. El calentamiento óhmico es rápido, prácticamente instantáneo y no requiere superficies de transferencia de calor. de calor. No hay gradientes de temperatura y no hay ensuciamiento. En teoría Estas características hacen que el calentamiento óhmico sea el método preferido para el tratamiento térmico en flujo,especialmente para los fluidos que contienen sólidos. en flujo, especialmente para fluidos que contienen partículas sólidas (Shim et al., 2010). Sin embargo, el calentamiento óhmico, en su estado actual, no proporciona la uniformidad y fiabilidad necesaria para el procesamiento térmico de alimentos poco ácidos. Además, aunque el calentamiento es rápido, el enfriamiento sigue dependiendo de la transferencia de calor a través de las superficies. Por todas estas razones, la aplicación del calentamiento óhmico se limita actualmente a la pasteurización de zumos de frutas y, posiblemente, al huevo líquido.
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Complementar con lectura complementaria, incluyendo conceptos y definiciones del tema de la semana, se debatirá en clase.
Se evaluará según la estructura anexada, en la rúbrica 1. Rubrica 1 CRITERIO / DEFINICIÓN CALIFICACIÓN 5 Muy Bueno 4 Bueno 3 En proceso 1.En inicio Calificació n parcial Calidad de la información La información está claramente relacionada con el tema principal y proporciona información relevante con el tema de la semana La información recolectada es muy buena y relacionada con el tema de la semana La información recolectada es básica y poco relacionada con el tema de la semana La información recolectada no es suficiente y poco relacionada con el tema de la semana Organización La información está muy bien organizada con respuestas bien estructuradas. La información está bien organizada con respuestas estructuradas La información brindada es poco organizada, y con respuestas poco estructuradas La información está nada organizada ni estructurada Habilidades procedimentales requeridas en el análisis Demuestra dominio sobre las estrategias propias del tema. Ejecuta la estrategia sin errores y con mínimo esfuerzo. Lleva a cabo la estrategia o habilidad específica de la tarea o situación sin errores importantes. Comete varios errores al ejecutar la estrategia específica de la tarea o tema, pero puede completarla. Presenta muchos errores graves cuando ejecuta la estrategia propia de la tarea o del tema. Aportes Aporta en forma voluntaria, y en forma continua.. Aporta en forma poco voluntario, y en forma discontinua. Poco aporta en forma voluntaria, y en forma muy discontinua. No aporta en ninguna forma. Calificación Final:
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