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Colección

Tecnología de alimentos

Procesos de conservación de alimentos DA N GU SE

N IÓ C I ED

A. Casp y J. Abril

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PROCESOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

PROCESOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS ANA CASP VANACLOCHA Catedrática de Tecnología de Alimentos Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos Universidad Pública de Navarra

JOSÉ ABRIL REQUENA Profesor Titular Escuela Universitaria de Tecnología de Alimentos Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos Universidad Pública de Navarra

Segunda edición Corregida

Coedición

A. Madrid Vicente, Ediciones Ediciones Mundi-Prensa 2003

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© 2003, Ana Casp Vanaclocha José Abril Requena © 2003, Ediciones Mundi-Prensa Depósito Legal: M. 42.281-2003 ISBN: 84-7114(AMV) ISBN: 84-8476-169-X (Mundi-Prensa)

1.a edición 1999 2.a edición 2003

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Índice

PANORAMA HISTÓRICO DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1. ORÍGENES DE LOS PROCESOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2. NICOLAS APPERT Y LOS ORÍGENES DE UNA INDUSTRIA . . . . . .

22

3. DETERIORO MICROBIANO DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . .

25

4. ORÍGENES Y DESARROLLO DEL FRÍO INDUSTRIAL . . . . . . . . . . .

28

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

PARTE I BASES DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Capítulo I. ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . .

35

1. INTRODUCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Humedad y sequedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Aire y oxígeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Acción combinada de diferentes factores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38 38 38 39 40 40

3. PRINCIPALES CAUSAS DE LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Causas químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41

8 Índice 3.1.1. Pardeamiento no enzimático (Reacción de Maillard) . . . . . . . . . 3.1.2. Enranciamiento de los lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Causas biológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Enzimas naturales de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Microorganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1. Efectos del metabolismo de los microorganismos en los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.2. Origen de los microorganismos en los alimentos . . . . . 3.2.2.3. Principales grupos de microorganismos causantes de alteraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3.1. Bacterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3.2. Mohos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.3.3. Levaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 44 44 45 45 46 48 49 50 53 54

4. CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS Y PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Reacción de orden cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Reacción de primer orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Efecto de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Determinación de los parámetros cinéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54 57 59 61 66

5. APLICACIÓN DE LA CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS EN LA PREDICCIÓN Y CONTROL DE LA VIDA ÚTIL . .

69

Capítulo II. MÉTODOS INDUSTRIALES DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

1. FUNDAMENTOS DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . .

73

2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DESARROLLO MICROBIANO 2.1. Incidencia del pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Necesidades de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Potencial de óxido-reducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Sustancias inhibidoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76 76 79 81 81 82

3. PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Procedimientos basados en la disminución del pH . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Procedimientos basados en la reducción del agua disponible . . . . . . 3.3. Procedimientos basados en la variación del potencial de óxidoreducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Procedimientos basados en la utilización de sustancias inhibidoras 3.5. Procedimientos basados en la utilización de calor o frío . . . . . . . . . 3.6. Procedimientos basados en la aplicación de varios principios . . . .

86 86 87 87

4. MÉTODOS INDUSTRIALES DE CONSERVACIÓN . . . . . . . . . . . . . . .

87

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

83 85 86

Índice

9

PARTE II MÉTODOS BIOLÓGICOS DE CONSERVACIÓN Capítulo III. CONSERVACIÓN POR FERMENTACIÓN . . . . . . . .

93

1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

2. MICROORGANISMOS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Levaduras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Bacterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Bacterias lácticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Bacterias acéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Mohos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95 95 97 97 99 99

3. EL PROCESO DE FERMENTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

4. TIPOS DE FERMENTACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Glicolísis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Fermentación homoláctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Fermentación heteroláctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Otras fermentaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Fermentación acética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Fermentación maloláctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Fermentación maloalcohólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4. Fermentación propiónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5. Fermentación butírica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6. Fermentación 2,3-butilenglicol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7. Fermentación ácido-mixta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Productos derivados del ácido pirúvico producido en la glicolísis . . .

102 102 105 108 109 109 111 111 112 113 113 114 115 115 116

5. APLICACIONES DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Productos derivados de la fermentación alcohólica . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Productos derivados de la fermentación láctica . . . . . . . . . . . . . . . . .

117 119 121

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 PARTE III CONSERVACIÓN POR CALOR Capítulo IV. FUNDAMENTOS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

127

2. CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS

128

10 Índice 2.1. Efecto del tiempo de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Efecto de la temperatura de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Modelos más complejos de destrucción térmica . . . . . . . . . . . . . . . . .

128 131 135

3. ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Acción sobre el agua de constitución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Acción sobre los lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Acción sobre los glúcidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Acción sobre las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Acción sobre las vitaminas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Estudio en conjunto: efecto de la cocción sobre las propiedades organolépticas de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Productos de origen animal: carnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2. Productos de origen vegetal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Cinética de los cambios en los constituyentes de los alimentos . . . . .

138 138 139 139

4. CUANTIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS . . . . . . .

142

5. CINÉTICA DE LA PENETRACIÓN DE CALOR EN LOS PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

145

6. CÁLCULO DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO

150

7. PREDICCIÓN DEL VALOR ESTERILIZADOR DE UN TRATAMIENTO 7.1. Simulación de la curva de penetración de calor para un producto que se caliente por convección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Simulación de la curva de penetración de calor para un producto que se caliente por conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Simulación de la curva de penetración de calor para productos sólidos envasados en líquido de cobertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

152

8. OPTIMIZACIÓN DEL TRATAMIENTO TÉRMICO . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Determinación del tratamiento térmico capaz de conseguir la estabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Elección de las condiciones de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158

136 136 136 137 137 138

152 154 157

159 160

Capítulo V. PASTEURIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

163

2. ELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE PASTEURIZACIÓN . . . . . .

164

3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE LÍQUIDOS SIN ENVASAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Generalidades sobre cambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Circulación de los fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.1. Flujo en contracorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.2. Flujo en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Transmisión de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Cambiadores de calor tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

165 165 165 165 167 168 169

Índice

11

3.2.1. Cambiadores de tubos coaxiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Cambiadores de superficie rascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Cambiadores multitubulares de envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Cambiadores de calor de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Tipos de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Circulación de fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Placas de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Equipos completos para la pasteurización en continuo de líquidos sin envasar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169 171 172 174 174 175 178 178

4. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA PASTEURIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Pasteurizadores por inmersión en baño de agua . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Pasteurizadores por lluvia de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181 181 182

Capítulo VI. ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

185

2. PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS DE ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

186

3. EQUIPOS EMPLEADOS EN EL ESCALDADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Escaldadores por vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Escaldadores por vapor con cortinas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Escaldador por vapor con cierres hidráulicos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Escaldador en lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Escaldadores por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

187 187 188 188 189 189

Capítulo VII. ESTERILIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

195

2. ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS ENVASADOS . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Sistemas de esterilización por cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Calentamiento por vapor de agua saturado . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Calentamiento por mezcla de vapor de agua-aire . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Calentamiento por agua sobrecalentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Calefacción por inmersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Calefacción por lluvia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Alimentación automatizada de los autoclaves . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistemas continuos de esterilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Esterilizadores hidrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Esterilizadores neumohidrostáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Esterilizadores continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Esterilizadores por llama directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

196 196 197 199 205 206 208 211 211 212 218 220 226

3. ESTERILIZACIÓN DE PRODUCTOS SIN ENVASAR . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Sistemas directos de esterilización UHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Proceso por inyección de vapor en el producto . . . . . . . . . . . . . .

228 229 229

12 Índice 3.1.2. Proceso por inyección del producto en vapor . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Sistemas indirectos de esterilización UHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

230 231

Capítulo VIII. COCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 1. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

233

2. SISTEMAS DE COCCIÓN POR CARGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Hornos de cocción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Marmitas de cocción abiertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

234 234 234

3. SISTEMAS CONTINUOS DE COCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Por inmersión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Por extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Fundamentos de la cocción-extrusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Los extrusores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

235 235 235 235 236

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 PARTE IV CONSERVACIÓN A TEMPERATURAS BAJAS Capítulo IX. UTILIZACIÓN DE BAJAS TEMPERATURAS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . 245 1. APLICACIÓN DEL FRÍO A LA CONSERVACIÓN DE PRODUCTOS PERECEDEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. PRODUCCIÓN DE FRÍO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Sistemas mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Principio de funcionamiento de la máquina frigorífica de compresión de un vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Producción de temperaturas bajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Sistemas criogénicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

245 247 247 247 251 256

Capítulo X. REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 1. OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . 1.1. Frutas y hortalizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Respiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Transpiración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Producción de etileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Desarrollo de microorganismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Carnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Modificaciones físicas durante la refrigeración . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Modificaciones durante la refrigeración debidas a microorganismos

259 259 259 260 261 262 263 264 265

2. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Enfriamiento por aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

266 269

Índice

13

2.1.1. Enfriamiento en cámara frigorífica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Enfriamiento por presión de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Túneles de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. Enfriamiento del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Enfriamiento por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Enfriamiento del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Ventajas del enfriamiento por agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Equipos para el enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Ventajas del enfriamiento por vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

271 272 273 273 273 274 275 275 280 282

3. CONSERVACIÓN EN REFRIGERACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Circulación del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Incompatibilidad entre los productos almacenados . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Sistema de estiba y densidad de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Renovaciones de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

282 282 283 283 285 286 288

Capítulo XI. CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 1. EL PROCESO DE CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Subenfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Nucleación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Crecimiento de los cristales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Recristalización durante el almacenamiento del congelado . . . . . . . . 1.5. El estado vítreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

289 289 290 291 292 293

2. EFECTOS DE LA CONGELACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS . . . . . 2.1. Modificación de la estructura por efecto de la congelación . . . . . . . . 2.1.1. Daños mecánicos provocados por el incremento de volumen del agua al congelarse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Daños mecánicos provocados por la migración del agua . . . . . . . 2.2. Daños causados por los cambios en la disposición de los solutos . . . 2.3. Influencia de la congelación sobre la flora de los alimentos . . . . . . .

295 295 295 296 296 296

3. PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . .

298

4. MODIFICACIONES DE LA CALIDAD DEL PRODUCTO DURANTE SU ALMACENAMIENTO EN CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Alteraciones de la calidad debidas a fenómenos físicos . . . . . . . . . . . 4.2. Alteraciones de la calidad debidas a fenómenos químicos . . . . . . . . . 4.3. Efecto combinado del tiempo y de la temperatura durante el almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Factores PPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Factor producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Factor proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3. Factor embalaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. EQUIPOS PARA LA CONGELACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . .

303 303 303 305 306 306 306 307 308

14 Índice 5.1. Congeladores por contacto directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1. Congeladores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2. Congeladores de bandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3. Congeladores de tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Congeladores por aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Túneles de congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Congeladores de banda transportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Congeladores de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Congeladores criogénicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

308 308 310 311 312 312 314 316 328

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 PARTE V PROCESOS DE CONSERVACIÓN BASADOS EN LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA Capítulo XII. SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

325

2. FUNDAMENTOS DE LA ELIMINACIÓN DE AGUA . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Actividad de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Mecanismos de la eliminación de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Eliminación de agua por vía mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Eliminación de agua por vía térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

326 327 331 331 331

3. PROCESO BÁSICO DE SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

332

4. PERÍODOS DE SECADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

334

5. PREPARACIÓN DE LOS PRODUCTOS PARA EL SECADO . . . . . . . .

338

6. ENVASADO Y ALMACENAMIENTO DEL PRODUCTO DESHIDRATADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

339

7. MODIFICACIONES PRODUCIDAS EN EL PRODUCTO CON LA DESHIDRATACIÓN Y ALMACENAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Alteraciones de naturaleza química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. Reacciones de oxidación de los lípidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. Pardeamiento enzimático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3. Reacciones de Maillard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4. Otras alteraciones de los constituyentes de los productos . . . . . . 7.2. Alteraciones de naturaleza física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Cambios de estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Otras alteraciones de naturaleza física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

340 341 341 342 343 343 344 344 347

8. SISTEMAS DE DESHIDRATACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Secado al sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Secado solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1. Secaderos solares naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

348 349 350 351

Índice

8.3.

8.4.

8.5.

8.6.

8.2.1.1. Secaderos solares directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1.2. Secaderos solares indirectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2. Secaderos solares semiartificiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3. Secaderos solares asistidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Secado por gases calientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1. Secaderos de horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2. Secaderos de bandejas o de armario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3. Secaderos de túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.4. Secaderos de cinta transportadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.5. Secaderos rotatorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6. Secaderos de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.7. Secaderos por arrastre neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.8. Secaderos por atomización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Secaderos por conducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1. Secaderos de bandejas a vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2. Secaderos de tornillo sinfín . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.3. Secaderos de rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros métodos de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1. Secaderos Foam Mat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2. Secado por explosión (Explosion puffing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.3. Secado por microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.4. Deshidratación osmótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1. Fundamentos de la liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2. Ciclo de liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.1. Acondicionamiento de la materia prima . . . . . . . . . . . . 8.6.2.2. Congelación del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.3. Sublimación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.4. Desorción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.5. Almacenamiento después del secado . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.6. Rehidratación y uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.3. Transferencia de calor y transferencia de masa . . . . . . . . . . . . . . 8.6.4. Equipos de liofilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 351 351 351 353 354 354 355 357 360 361 362 368 370 378 378 379 379 383 383 383 383 384 385 387 390 391 391 392 394 396 396 396 398

Capítulo XIII. CONCENTRACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 1. TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

401

2. EVAPORACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Principios generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Vaporización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Características del líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Coeficientes de transmisión de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Coeficiente global de transmisión de calor . . . . . . . . . . 2.1.3.2. Aumento del punto de ebullición . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.3. Efecto de las incrustaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Características de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Componentes de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

401 401 404 405 407 407 408 409 410 410

16 Índice 2.2.1.1. Intercambiador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.2. Mecanismo de distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.3. Separador vapor-líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.4. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.5. Producción de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.6. Precalentadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Configuraciones de un evaporador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.1. Evaporador de simple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2.2. Evaporador de múltiple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Conservación de la energía y recompresión de vapor . . . . . . . . . 2.2.3.1. Recompresión térmica del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3.2. Recompresión mecánica del vapor . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Tipos de evaporadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Evaporadores de tubos verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1. Evaporadores de tubos verticales cortos . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2. Evaporadores de tubos verticales largos . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2.1. Evaporadores de película ascendente . . . . . 2.3.1.2.2. Evaporadores de película descendente . . . . 2.3.1.2.3. Evaporadores de película mixta . . . . . . . . . . 2.3.2. Evaporadores de superficies calefactoras móviles . . . . . . . . . . . . 2.3.2.1. Evaporadores de serpentín rotativo . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2.2. Evaporadores centrífugos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Evaporadores de superficies calefactoras fijas . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.1. Evaporadores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.2. Evaporadores de conos invertidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3.3. Evaporadores de camisa de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . .

410 410 410 411 411 411 412 412 415 417 417 419 421 421 421 425 425 427 430 431 431 432 433 433 436 437

3. CONCENTRACIÓN POR CONGELACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Principios generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Depresión del punto de congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Pretratamiento de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Viscosidad del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Velocidad de cristalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Tipos de concentradores por congelación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Unidad de cristalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.1. Congeladores de contacto directo . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.2. Congeladores de contacto indirecto . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Mecanismo de separación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

440 440 442 442 443 443 444 444 444 445 445 446

4. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Aplicaciones en la industria alimentaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Principios de la separación por membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Técnicas utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Proceso de separación por membranas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Ósmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

447 447 447 449 449 449 452 452

Índice

4.4.1.1. Polarización de concentración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.2. Flujo en ósmosis inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Ultrafiltración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.1. Flujo en ultrafiltración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Sistemas de membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Módulos o cartuchos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.1. Diseño de placas y bastidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.2. Diseño tubular: a base de polímeros . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.3. Diseño enrollado en espiral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.4. Diseño de fibra hueca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Calidad de los alimentos en las separaciones por membrana . . . . . .

17 456 458 458 459 461 461 461 462 463 463 464 465

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

PARTE VI PROCESOS NO TÉRMICOS DE CONSERVACIÓN Capítulo XIV. TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. ALTAS PRESIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Descripción del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Efectos biológicos de las altas presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Presurización de los alimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Zumos de frutas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Confituras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Leche y productos lácteos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Huevos y ovoproductos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5. Otras posibles aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

472 472 473 474 474 475 476 476 477

3. CAMPOS ELÉCTRICOS PULSANTES DE ALTA INTENSIDAD . . . . 3.1. Sistema de procesado por campos eléctricos pulsantes de alta intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Efectos biológicos de los campos eléctricos pulsantes . . . . . . . . . . . . .

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4. CAMPOS MAGNÉTICOS OSCILANTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. PULSOS LUMINOSOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Descripción del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Aplicación de los pulsos luminosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

482 482 482

6. IRRADIACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7. PRODUCTOS QUÍMICOS Y BIOQUÍMICOS UTILIZADOS EN CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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18 Índice 7.1. Sustancias antimicrobianas presentes naturalmente o formadas en el alimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Productos químicos con propiedades antimicrobianas . . . . . . . . . . . 7.2.1. Ácidos orgánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Anhídrido sulfuroso y sulfitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Nitritos y nitratos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Productos químicos con propiedades multifuncionales . . . . . . . . . . . 7.3.1. Especias y aceites esenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2. Antioxidantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Bacteriocinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8. MÉTODOS COMBINADOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS .

491

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

Panorama histórico de la conservación de alimentos 1. ORÍGENES DE LOS PROCESOS DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Todos nuestros alimentos derivan de las plantas o de los animales, son por lo tanto de origen biológico y es, precisamente, esta naturaleza biológica la causa del desarrollo de una serie de transformaciones que no solo modifican sus características originales, sino que llegan a producir su deterioro. En estas transformaciones se incluyen reacciones químicas y bioquímicas, pero además, los alimentos que el hombre utiliza, son también adecuados para muchos de los microorganismos que abundan en el suelo, en el agua y en el aire, por lo tanto en el deterioro de los alimentos intervienen también procesos microbianos. La conservación comercial de alimentos no se estableció hasta principios del siglo XIX, después de una serie de descubrimientos que permitieron sentar las bases científicas y técnicas para dicha conservación, sin embargo, a pesar del completo desconocimiento que se tenía en la antigüedad de las causas de degradación de los alimentos, nuestros antepasados desarrollaron muchos métodos de conservación más o menos efectivos, que se emplearon durante cientos de años. Las técnicas primitivas de conservación se desarrollaron a partir de la experiencia y de la necesidad, el hombre utilizó, según el hábitat en que vivía, diferentes formas de conservación de sus alimentos. En climas fríos, el invierno era tiempo de escasez, después de la cosecha del verano y otoño anteriores se disponía de pocos alimentos frescos hasta la primavera siguiente. Además, con esta falta de alimentos frescos durante el invierno, no sólo era difícil para el hombre alimentarse a sí mismo, sino que también era imposible mantener el ganado, en consecuencia, una parte importante del mismo era sacrificada antes de la llegada del invierno, para comer frescos los cortes más apetecibles y el resto se conservaba en las mejores condiciones posibles para los meses de carestía siguientes. Los métodos más comunes de conservación fueron secado,

20 Procesos de conservación de alimentos ahumado, salado, encurtido y, cuando las temperaturas eran suficientemente bajas, congelación. Con frecuencia, varios de estos métodos se utilizaban combinados, muchas veces inconscientemente, para obtener un producto que se mantuviera mejor que el conservado por un único método. Por ejemplo, la carne y el pescado se conservaban por una combinación de deshidratación y ahumado, y en el caso del pescado por encurtido también, la variación de las proporciones de ahumado, encurtido y secado producían una gran variedad de productos diferentes. Algunos descendientes de estos productos sobreviven todavía. Los alimentos tradicionalmente conservados en las áreas del Norte eran carnes y pescados secados, salazonados y ahumados, frutas y hortalizas secadas, encurtidas o fermentadas y conservadas como confituras y mermeladas. En los climas tropicales no surgían las necesidades de conservación de alimentos durante el invierno, pero aquí el problema era precisamente el contrario: se disponía de alimentos frescos todo el año que se deterioraban rápidamente con el calor, con frecuencia antes de que pudieran ser consumidos. En los climas cálidos, la forma más conveniente de conservar los alimentos era favorecer el desarrollo de bacterias u otros microorganismos inofensivos que excluyeran a aquellos que pudieran ser la causa de que el alimento se convirtiera en perjudicial o incomestible. Este proceso se conoce hoy como fermentación y el ejemplo más conocido era indudablemente la producción de alcohol a partir de azúcar por las levaduras. Existían, sin embargo, muchos otros procesos de fermentación utilizados para la conservación de alimentos. En los climas templados, la leche se hacía incomestible muy rápidamente, por esta razón se utilizaron distintas fermentaciones para su conservación, el queso y el yogur son los resultados de este proceso. La col ácida (col fermentada) y las aceitunas verdes son también ejemplos de un proceso de fermentación, en el cual las bacterias producen una concentración tan alta de ácido en el alimento (fermentación láctica) que impide el desarrollo de otros microorganismos. El encurtido de alimentos en vinagre tiene un efecto similar a la fermentación, en lugar de esperar la formación de ácido por acción microbiana, se añade dicho ácido al alimento fresco. Normalmente se aplicó a hortalizas, pero también fue tradicional en algunas zonas la conservación por este sistema de carnes y pescados. Los productos típicos conservados en las zonas cálidas eran leches fermentadas, quesos, carnes, pescados y frutas secados al aire. La leche, un elemento importante en la dieta, se deteriora rápidamente en climas cálidos, como se ha dicho, por lo tanto el hombre en su interés de conservarla propició la aparición de diferentes productos lácteos, además del yogur o los quesos, ya citados, también la mantequilla que alcanzó gran importancia hace ya cientos de años, o utilizó, a menudo de forma inconsciente, como método de conservación la producción de antibióticos en los alimentos por mohos, por ejemplo el moho Penicillium en la producción de quesos azules, como el Roquefort, que produce un antibiótico que inhibe el desarrollo de algunas bacterias. Este tipo de moho aparece también en el jamón y en algunos embutidos.

Panorama histórico de la conservación de alimentos

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La conservación de alimentos a gran escala más antigua que se conoce se practicó en el antiguo Egipto, dónde se utilizó para la provisión de cantidades suficientes de grano seco como seguro para el fallo de las avenidas del Nilo. Se almacenaban grandes cantidades de grano en silos cerrados, donde permanecían varios años sin excesivo deterioro, aunque la práctica normal era utilizar cada año el grano que más tiempo llevaba almacenado que era reemplazado por el fresco. Los Romanos también fueron capaces de conservar numerosos alimentos. Entre los hechos más interesantes de la época de Pompeyo se pueden citar las confituras de frutas conservadas en miel, la miel proporcionaba una concentración de azúcar suficientemente alta para inhibir el crecimiento de los microorganismos que normalmente atacan a las frutas. El vino también fue un hecho normal en el comercio y en la dieta de Roma, así como varios tipos de salsas fermentadas y embotelladas. Los métodos tradicionales de conservación de alimentos se desarrollaron por prueba y error y conducían a productos de características variables y de inconsistente vida útil. Aunque estos métodos fueron refinándose con el paso del tiempo, muchos de ellos no producían un alimento adecuadamente conservado que fuese además nutritivo y apetitoso. Ninguno fue capaz de conservar todos los alimentos y en general estaban muy limitados a productos específicos. Fue hacia finales del siglo XVIII cuando la industrialización y los largos viajes por mar produjeron la necesidad de conseguir que los métodos de conservación de alimentos fueran aplicables a productos muy diferentes. En la historia de la conservación de alimentos hay un punto de inflexión alrededor del año 1860. Antes de esa fecha, los alimentos conservados eran caros, usados por los ricos y por las expediciones navales, producidos en áreas urbanas y en consecuencia no contribuían en la alimentación de los pobres. Es a partir de 1860, cuando los alimentos conservados comienzan a producirse donde la materia prima era barata y abundante, por ejemplo en Australia y América del Sur, desde donde se exportaban a Europa. La introducción de las técnicas de producción en masa a partir de 1860 tiene como consecuencia una reducción rápida de los costes de los alimentos conservados. Casi al mismo tiempo, comienzan a conocerse las causas del deterioro microbiano de los alimentos y los procesos empíricos de la tecnología de alimentos empiezan a apoyarse en bases científicas. Aunque el incremento de las poblaciones urbanas creó la necesidad real de mejorar los alimentos conservados, fue la demanda de los marineros la que produjo las actuales mejoras. En los largos viajes del descubrimiento del Ártico y de las antípodas a Europa, dónde habían pocas oportunidades de encontrar alimentos frescos, muchas expediciones fracasaron por los problemas siempre presentes de malnutrición en el mar y como consecuencia de los efectos sobre la salud de una dieta de carne salada y galletas, sin frutas y hortalizas frescas. Puesto que las exploraciones fueron importantes para el prestigio de las principales naciones europeas a principios del siglo XIX, tanto los

22 Procesos de conservación de alimentos gobiernos como los patrocinadores comerciales de dichas expediciones, tuvieron más interés en mejorar la dieta naval que la dieta de los pobres en tierra. De todas las manifestaciones de malnutrición en los viajes marítimos, el escorbuto fue la más temida, por lo tanto es natural que fuese la primera enfermedad nutricional científicamente investigada. A lo largo del siglo XIX encontramos que muchos de los alimentos conservados que fueron mejorados, lo fueron por sus propiedades antiescorbúticas.

2. NICOLÁS APPERT Y LOS ORÍGENES DE UNA INDUSTRIA Aunque el embotellado de frutas fue practicado a escala doméstica desde principios del siglo XVII, el proceso comercial de la conservación de alimentos por esterilización, aplicado a otros productos además de las frutas, fue desarrollado por Nicolás Appert, un pastelero de Massy cerca de París, a principios del siglo XIX. Después de trabajar como aprendiz, Appert se estableció en la Rue des Lombards en París alrededor del año 1780 y prosperó allí hasta 1795, durante este tiempo comenzó las experiencias que cambiaron completamente el procesado de alimentos. Posiblemente, sus ideas tuvieron origen en las recetas publicadas para el embotellado casero de frutas, adaptándolas a la conservación de otros alimentos (carnes, hortalizas, sopas, leche, etc.). Esta adaptación realmente no fue fácil, puesto que los microorganismos de importancia en las frutas envasadas se destruyen mucho más rápidamente que en los otros productos. Desde luego, Appert no tenía conocimientos de bacteriología, pero con cuidadosos y extensos experimentos sentó él sólo las bases para el comienzo de una industria. A partir de observaciones completamente empíricas, llegó a conclusiones correctas sobre el tiempo de calentamiento necesario para conseguir el efecto de conservación y, sorprendentemente, fue muy insistente en la necesidad de extremar las condiciones higiénicas, que entonces estaban lejos de ser consideradas como criterio universal en la manipulación de alimentos. Nicolás Appert publicó en 1810 un libro titulado “L´Art de Conserver pendant plusieurs années, toutes les substances animales et végétales” (figura 1), que rápidamente tuvo un éxito internacional, la edición alemana se publicó el mismo año que la francesa, el año siguiente las ediciones inglesa y sueca y en 1812 la americana y la segunda edición inglesa. Se ha dicho que Appert recibió un premio de 12.000 francos por su descubrimiento, pero en realidad fue el pago por la publicación de su método, como era la práctica común del Gobierno Francés en esa época. Muchas mejoras de este proceso de conservación, incluyendo la introducción de los botes metálicos, fueron trabajo de otros, pero fue Appert quien demostró que se pueden producir alimentos conservados, seguros y de calidad aceptable, calentándolos en recipientes cerrados.

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Figura 1.–Primera página de la primera edición del libro de Appert.

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24 Procesos de conservación de alimentos Desde el principio, los alimentos envasados estuvieron a disposición del público en general, pero el muy alto coste de producción hizo que durante muchos años se destinaran sólo a los ricos. No fue hasta la última mitad del siglo XIX cuando se utilizaron domésticamente en cantidades significativas. Los principales consumidores de los alimentos envasados fueron las expediciones navales y, junto con otras mejoras en la dieta especialmente el uso de antiescorbúticos, desempeñaron un importante papel en el éxito de dichas expediciones. En 1810, Gay-Lussac examinó los gases contenidos en los botes producidos por el método de Appert y encontró pequeñas cantidades de oxígeno. Louis Gay-Lussac, era uno de los miembros más influyentes de la “Société d´Encouragement pour l´Industrie Nationale”, llegando a ser el miembro dominante del “Comité de la Sociedad de Conservación de Alimentos”. En 1809, a la edad de 31 años era ya profesor en la Alta Escuela Politécnica de París, donde realizó experiencias sobre la combustión de hidrógeno en oxígeno, cuya resultante fue la promulgación de la Ley que lleva su nombre. Era pues un estudioso preeminente de los gases, implicado en la conservación de alimentos. Las observaciones citadas antes le llevaron a proponer una teoría algo nebulosa y errónea para explicar la efectividad del método de Appert. Aunque el oxígeno desempeña un pequeño papel en el deterioro de algunos alimentos, su acción es normalmente de poca importancia comparada con la de los microorganismos, que son destruidos por calentamiento de botes o botellas. Gay-Lussac no conocía nada de bacterias, pero ciertamente hoy se elimina cualquier traza de aire de los botes antes de procesarlos, esta eliminación del aire previene entre otras cosas las presiones excesivas durante el procesado, que pueden distorsionar o incluso romper los envases, pero sólo representa una pequeña parte en la actual conservación. El año 1850 marcó el final de la primera fase de desarrollo de la industria de conservación y el principio de un periodo de expansión, de producción en masa y de conocimiento de los principios científicos de los métodos utilizados. En la segunda mitad del siglo XIX se introdujeron muchas mejoras en el campo de los productos envasados y muchos de los alimentos envasados en botes metálicos o en botellas que conocemos hoy se producían ya entonces y, generalmente, con buena calidad. La primera mejora importante en el proceso de embotado fue patentada en 1840, cuando John Wertheimer comprobó que incrementando la temperatura de calentamiento de los alimentos envasados, se reducía considerablemente el tiempo de tratamiento y se conseguía una mejora notable de la calidad. En 1841 Stephan Goldner y John Wertheimer presentaron dos patentes para el calentamiento de los botes con alimentos en baños con soluciones salinas, cuyo punto de ebullición se situaba a temperaturas superiores a 100ºC, su principio era simple, cuando se añade sal al agua, el punto de ebullición de la solución es más alto que el del agua sola y depende de la concentración de la sal. Los baños de cloruro cálcico se consideraron rápidamente como el método

Panorama histórico de la conservación de alimentos

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estándar de calentamiento de los botes, debido a que permitían una considerable reducción de los tiempos de calentamiento, pasando de 4-5 horas a 1 hora. Es sorprendente que Goldner y Wertheimer decidieran utilizar temperaturas del orden de 132 a 150ºC, puesto que los riesgos de explosión de los botes a estas temperaturas eran considerables. El calentamiento de los botes a temperaturas tan altas en baños de cloruro cálcico, produce en su interior altas presiones que pueden llegar a deformar los envases y hasta hacer saltar los cierres. La solución que se dio a este problema, fue calentar los botes en un recinto cerrado que contuviera vapor a presión, un autoclave, de esta forma la presión desarrollada en el interior del bote se contrarresta con la del vapor del interior del recinto y el riesgo de explosión se reduce. La primera patente de un autoclave específico para calentar botes de alimentos se debe a un sucesor de Appert, Raymond Chevallier-Appert. En la segunda mitad del siglo XIX se introdujeron múltiples mejoras, no sólo en el desarrollo de los autoclaves sino también en los envases, mejoras que han continuado en el siglo XX, hasta llegar a los diferentes equipos y tipos de envases que se conocen hoy día.

3. DETERIORO MICROBIANO DE LOS ALIMENTOS La investigación más antigua en el mundo microbiológico fue realizada por Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), a quien se debe la construcción del microscopio que utilizó para describir muchas de las principales clases de microorganismos que hoy se conocen. Descubrió la presencia universal de los microorganismos, pero la gran importancia de su descubrimiento en las enfermedades y deterioro de los alimentos, no fue apreciada hasta ciento cincuenta años después de su muerte. La mayor contribución al conocimiento de la resistencia al calor de las esporas de las bacterias la hizo, de forma parcialmente accidental, el físico inglés John Tyndall en 1876, al realizar experiencias con una cámara a través de la cual pasa un rayo de luz. Después de un número considerable de experimentos, Tyndall encontró que cinco minutos de calentamiento, que hasta entonces se habían considerado suficientes para prevenir el desarrollo de microorganismos, no era suficiente, dando como explicación la presencia de organismos mucho más resistentes al calor que los conocidos antes. Los tubos que contenían los nuevos organismos requerían para su esterilización cinco horas y media. Tyndall dedujo correctamente que algunas bacterias pueden producir cuerpos (“endosporas”) increíblemente resistentes al calor y distinguibles al microscopio. Son estas esporas las responsables de las dificultades de esterilización de los botes de alimentos, mientras que las células vegetativas normales de los organismos son destruidas rápidamente a la temperatura de ebullición del agua.

26 Procesos de conservación de alimentos En 1864 el Dr. Calvert de Londres encontró una explicación para la putrefacción que mejoraba las anteriores, que implicaban únicamente al oxígeno, indicando que la putrefacción sólo se da en presencia de gérmenes pero que estos no se desarrollan más que en presencia de oxígeno. Luego la exclusión de ambos, gérmenes y oxígeno, contribuye al éxito de la conservación de alimentos. En esta misma época, Louis Pasteur estaba interesado en la conservación del vino por el calor. A diferencia de otros inventores de procesos de conservación de alimentos, primero investigó la microbiología del vino y después desarrolló un método basado en estos resultados. Su proceso fue de éxito tan espectacular que el término “Pasteurización” se ha aplicado al proceso en el cual se destruyen las bacterias indeseables pero el alimento no está completamente esterilizado. Pasteur después de haber desarrollado este proceso en agradecimiento a Nicolás Appert, indicó en la segunda edición de su libro “Études sur le Vin” (figura 2): “Cuando publiqué por primera vez los resultados de mi trabajo sobre la posibilidad de conservar el vino por calor, es evidente que hice una nueva aplicación del método de Appert y que Appert pensó el mismo proceso mucho antes que yo”. Pasteur fue generoso y modesto, aunque su método estuvo basado en la observación de la destrucción térmica de los microorganismos, lo aplicó a un producto muchísimo más complejo que cualquiera de los que Appert pudo producir. El vino es muy difícil de conservar por calor y pierde fácilmente su aroma y bouquet, pero Pasteur fue capaz de eliminar los microorganismos indeseables sin afectar demasiado al aroma del vino. En el último cuarto del siglo XIX la bacteriología alcanzó un gran desarrollo, realizándose múltiples investigaciones en el campo de la medicina, que llevaron a la conclusión de que muchas enfermedades eran causadas por bacterias, pero también se comprobó que algunos de dichos descubrimientos eran aplicables a la conservación de alimentos. Fueron identificados, descritos y clasificados y se hicieron crecer en laboratorio, muchos de los microorganismos responsables de las enfermedades, de la putrefacción y fermentación. En 1890 comienzan a ser aplicados en la industria alimentaria los grandes progresos de la microbiología médica y comienzan numerosas investigaciones específicas sobre el crecimiento de los microorganismos en los alimentos. A principios del siglo XX se progresó en la comprensión de la bacteriología de los alimentos, y así en 1920 se estableció el método para calcular con precisión el calor necesario en el procesado de un bote de alimento. Se establecieron dos aspectos esenciales de la destrucción térmica de las esporas de las bacterias, primero, el porcentaje de destrucción aumenta logarítmicamente con el incremento de la temperatura por encima de 90ºC y segundo, el número de organismos supervivientes disminuye logarítmicamente con el tiempo. El porcentaje de destrucción de las esporas de las bacterias depende no sólo de la temperatura sino también de la composición del medio en que son calentadas, principalmente la acidez entre otros factores. Una vez comprendido el efecto del tiempo y la temperatura sobre la destrucción térmica de las

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Figura 2.–Primera página de la segunda edición del libro de Pasteur.

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28 Procesos de conservación de alimentos bacterias, fue posible extrapolar esta información a la predicción del porcentaje de destrucción de las esporas en los botes de alimentos, en los que la temperatura varía con el tiempo. Tales métodos fueron propuestos por W. D. Bigelow y J. R. Esty y por C. C. Williams a principios del año 1920. Pocos años después C.O. Ball hizo ligeras modificaciones del método para simplificar su aplicación práctica, redefinió la “Dosis letal” de forma que tuviera el valor de la unidad a una temperatura arbitraria de referencia, usualmente 121,11ºC para alimentos de acidez baja que fuesen calentados a alta temperatura y 100ºC para los alimentos ácidos, como las frutas, que eran esterilizados en agua hirviendo. A temperaturas inferiores a la de referencia, la dosis letal tiene valores inferiores a la unidad y a temperaturas más altas dicho valor es mayor de la unidad. Utilizando la modificación de Ball, el área bajo la dosis letal/curva de tiempo era la letalidad del proceso en minutos equivalentes a la temperatura de referencia. Dado que el grado de destrucción de las esporas de las bacterias a la temperatura de referencia era conocida (por observaciones experimentales), podía estimarse la efectividad de un determinado proceso de esterilización. Para aplicar este método de cálculo, es necesario elegir como base de cálculo un microorganismo que forme esporas muy resistentes al calor. En los últimos años, se han desarrollado métodos para calcular los tiempos de calentamiento del proceso de tratamiento de alimentos envasados, en términos de cinética de las reacciones químicas. Estos métodos, aunque indudablemente son más precisos, no han sustituido generalmente al método de Ball. Otros trabajos recientes se refieren a la predicción del proceso de calentamiento no a partir de temperaturas observadas, sino basándose en el conocimiento de las propiedades térmicas y físicas del bote, de su contenido y del medio de calentamiento.

4. ORÍGENES Y DESARROLLO DEL FRÍO INDUSTRIAL El hombre comprendió pronto que sus alimentos se conservaban mejor al aire frío. El habitante del norte utilizaba el frío natural en estado puro al dejar congelar al aire libre el pescado que acababa de pescar o la caza que había matado, en cambio en Egipto se ayudaba a la naturaleza agitando un abanico para acelerar la vaporización del agua a través de vasos porosos o recogiendo a primera hora de la mañana la película de hielo formada por la noche. Por lo tanto, es sobre todo en la utilización del hielo natural en donde la intervención de la mano del hombre progresa a lo largo del tiempo. Primero fue la utilización del hielo o de la nieve próxima al lugar de la cosecha, después vino el almacenamiento del hielo recolectado en invierno con vistas a su utilización en la estación cálida. El hielo y la nieve eran transportados a grandes distancias, en la Roma Antigua, por ejemplo, desde los Apeni-

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nos y en la Alta Edad Media, caravanas de camellos traían nieve del Líbano a los palacios de los califas de Damasco o de Bagdad y a los sultanes del Cairo. Columela, nacido en Cádiz, (–4/+54) en su libro “De re rustica”, da indicaciones sobre la orientación y las disposiciones a adoptar en las construcciones para conseguir un ambiente fresco adecuado para la conservación de quesos, frutas, legumbres, etc. El poeta latino Marcial (+4/+104?), que vivió en España, hace observaciones sobre la conservación de frutas con el frío del invierno. En la Edad Media (hacia 1200), en España, existían reglamentos que prescribían ventilar las canales después del sacrificio y el “Libro de Alejandro” (hacia 1250), de un anónimo español, recomienda el sacrificio de los cerdos en invierno. El médico sevillano Nicolás Monardes en su “Tratado de la nieve y del beber fresco” (1574), revisa los modos de enfriar los alimentos utilizables en esa época: aire, nitrato sódico, nieve y subraya que la nieve impide la descomposición de las frutas, del pescado, de la carne, “cosa que no puede explicar ni comprender la inteligencia humana”. En el siglo siguiente, el español Baltasar Gracian, en 1651, describe el buen estado de las frutas conservadas en una gruta recorrida por una corriente de aire muy frío. También el médico madrileño Tomás de Murillo, en 1667, observa la influencia combinada de la temperatura y de la humedad sobre la conservación de alimentos, especialmente la humedad asociada al frío es la que da buenos resultados, mientras que asociada al calor provoca la descomposición. Otro tipo de productos conocidos desde la antigüedad son los helados, bebidas y postres a base de leche, agua, frutas, miel, etc., mezcladas con nieve, los antepasados de nuestros sorbetes existían ya en la China antigua (3000 años antes de Cristo), en Macedonia (Alejandro el Grande), Grecia (Hipócrates cita un helado de leche) o en Roma (Nerón apreciaba los sorbetes de frutas aplastadas, miel y nieve). En realidad fueron los países mediterráneos quienes extendieron el uso de postres helados a Europa, se dice que el califa de Bagdad transmitía sus fórmulas de sorbetes al califa de Córdoba, durante la dominación musulmana de España (siglos VIII y IX). A comienzos del siglo XI el sultán del Cairo utilizaba mucho la nieve del Líbano en sus cocinas para confeccionar sorbetes. Puede que fuera el gran viajante veneciano Marco Polo quien en sus viajes durante el siglo XIII trajese a Europa las recetas chinas. Con el uso de mezclas refrigerantes se pasa a una etapa que se puede considerar como intermedia entre el frío natural y el frío artificial. Se comprobó que añadiendo al agua ciertas sales, especialmente nitrato sódico, se hacía descender la temperatura de la mezcla. Se ignora la fecha de este descubrimiento, pero existen razones para pensar que el método se utilizaba en la India en el siglo IV y parece que fue el escritor árabe Ibn Abi Usaibia el primero en hablar de mezclas refrigerantes. Antes del Siglo de las Luces es todavía demasiado pronto para hablar de ciencia del frío, pero se aprecian ciertos tímidos signos de avances en los siglos XVI y XVII. Así Blas de Villafranca utiliza por primera vez la palabra

30 Procesos de conservación de alimentos “refrigerar” en su obra de 1550 “Methodus refrigerandi ex vocato salenitro vinum aquamque”. En 1576, otro español, Francisco Sánchez habla de la similitud del calor y el frío y evoca el movimiento como causa del calor. Se puede considerar que el año 1755 como el “punto cero” de la historia del frío artificial. En la época anterior que podríamos llamar la “prehistoria del frío”, se pueden distinguir, como hemos visto, dos periodos, en el primero el hombre se contenta con utilizar el frío natural tal como se lo ofrece la naturaleza y en el segundo, el hombre “cultiva” ese frío natural, perfeccionando el uso que hacía de él. A partir de esta fecha el hombre sabe “fabricar” sus bajas temperaturas, y a lo largo de los 120 años que transcurren desde 1755 hasta 1875 se ponen a punto las primeras maquinas frigoríficas. Es entonces cuando William Cullen construye el primer aparato frigorífico, que es un dispositivo de laboratorio, que permite fabricar un poco de hielo por evaporación de agua bajo una campana a vacío; el primer fluido frigorífico utilizado fue por tanto el agua. El aparato citado será perfeccionado por los discípulos de Cullen, hasta llegar a las máquinas utilizadas en la práctica un siglo más tarde. La construcción de equipos frigoríficos se industrializa a partir de 1875 y se desarrolla muy rápidamente, en esa fecha existían sólo una decena de fabricantes en todo el mundo y hacia 1900 eran ya 120-150. En el periodo 1875-1914 se asiste al desarrollo del frío artificial, se sabe ya producir frío por todos los sistemas que hoy se aplican, y el empleo del frío se extiende, particularmente, debido a la importancia de tres sectores que contribuyeron de forma esencial a su desarrollo: la fabricación de hielo, la industria cervecera y el transporte de carne a través de los océanos. El hielo natural abre el camino al hielo artificial y todas las primeras máquinas frigoríficas que se utilizaron en la práctica entre 1845 y 1860, fueron para fabricar hielo que sustituyera al hielo natural, ya que el hielo natural tuvo una gran importancia, no sólo a nivel doméstico para tomar bebidas frescas o conservar algunos alimentos particularmente perecederos, sino también a nivel comercial e industrial. Al hablar de la evolución del frío artificial entre 1875 y 1914, hay que dedicar una mención especial a la industria cervecera. La razón es que en algunos países, antes del siglo XIX las industrias de cerveza eran grandes consumidoras de hielo natural, con todas las servidumbres que esto implicaba. Evidentemente cuando aparecieron las posibilidades del frío artificial estas industrias fueron las primeras interesadas, el frío mecánico se introduce en ellas bajo la forma de fabricación de hielo. Ciertamente, aunque se trataba de una actividad industrial restringida a la economía de determinados países, la industria cervecera absorbe en los años 1900-1910, en algunas regiones del mundo, una proporción considerable de la potencia frigorífica instalada: 70% en Suecia, 60% en Alemania y Austria, 50% en los Países Bajos, 40% en Francia y Dinamarca y 30% en Estados Unidos. Un gran número de las primeras máquinas frigoríficas concebidas por los grandes precursores, hacia 1860-1870, se instalaron en

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la industria cervecera, y, curiosamente, el frío en cervecería desempeña un papel determinante en el desarrollo racional y científico del sistema frigorífico de compresión. A principios del siglo XIX, en un cierto número de países, la industria cervecera utiliza la “fermentación baja” que exige una temperatura baja para la fermentación del mosto (6 a 8ºC) y para almacenar la cerveza (0 a 4ºC). Era necesario por tanto controlar la temperatura de esa fermentación, para fabricar cerveza de calidad, pues de lo contrario la fabricación sólo podía tener lugar en primavera y en otoño. En 1903, en Alemania hay 1500 industrias cerveceras dotadas de equipo frigorífico, en Francia al menos 100 y en 1915 el 93% de las 1350 industrias cerveceras de Estados Unidos disponen de frío mecánico. Aunque el sector cárnico desempeñó también, como se ha dicho, un papel importante en el desarrollo del frío artificial, el frío se introduce en este sector un poco más tarde que en la industria cervecera, de forma significativa hacia 1883. En esta segunda mitad del siglo XIX existía la necesidad de aprovisionar de carne a las regiones del mundo en curso de industrialización y con un crecimiento demográfico rápido, a partir de países nuevos que necesitaban exportar su muy abundante ganado y a partir del último cuarto del citado siglo XIX se ponen en marcha los mataderos frigoríficos de forma muy activa en Estados Unidos y en algunos países europeos. A principios del siglo XX, las tres actividades utilizadoras de frío citadas, fabricación de hielo, industria cervecera, comercio e industria de la carne, que fueron los motores esenciales del desarrollo del frío artificial en el último cuarto del siglo XIX, absorben en conjunto las tres cuartas partes de la potencia frigorífica instalada en el mundo. No obstante, en esta época, las aplicaciones del frío a la industria alimentaria se han ampliado, afectando a numerosos productos perecederos y a varias industrias de la alimentación. Así, alrededor de 1900, se han iniciado ya la mayor parte de las técnicas frigoríficas que actualmente se utilizan, después se han perfeccionado y extendido, aunque en su mayor parte, estas aplicaciones eran todavía muy dispersas, poco organizadas y algunas veces puntuales. La utilización del frío en la industria alimentaria se fue extendiendo al sector de frutas y hortalizas, y también se aplicó para la conservación de leche. Esta última utilización se inició en 1893 en Dinamarca, que a partir de 1905 enviaba regularmente a Alemania leche refrigerada en vagones frigoríficos, de aquí se extendió a otros países: Suecia, Suiza, Gran Bretaña y también Brasil. Canadá fue el primer país que introdujo el uso del frío en mantequería, ya que en 1897 el parlamento canadiense acordó otorgar una prima de 100 dólares a todas las industrias de mantequilla equipadas con cámara frigorífica y en 1905 la mayor parte disponían de este tipo de cámaras, concebidas casi siempre para congelación, puesto que una parte importante de la mantequilla se exportaba a Gran Bretaña. También a partir de 1885 se desarrolló el interés por el afinado de los quesos conseguido por maduración lenta por medio de una disminución

32 Procesos de conservación de alimentos de la temperatura. De la misma forma se fue extendiendo la aplicación del frío a otras industrias alimentarias: pescados, chocolate, margarina, helados, huevos y aves, panadería, zumos, vino y otras bebidas etc. En 1908 el ingeniero Albert Barrier utiliza por primera vez la expresión “cadena de frío”, para indicar el conjunto de elementos, fijos o móviles, que aseguran la permanencia continua de los productos alimentarios perecederos bajo temperatura controlada desde su producción hasta el consumo. La utilización del frío es hoy un hecho tan ampliamente extendido que nos puede hacer olvidar hasta qué punto su introducción en el último cuarto del siglo XIX permitió variar el régimen alimentario de la población de un cierto número de países. Por sus aplicaciones a la conservación y al transporte a gran distancia de productos perecederos, el frío ha constituido una verdadera revolución, como la que supuso la apertización a comienzos del siglo XIX.

BIBLIOGRAFÍA Appert, N. (1810). “L´Art de Conserver pendant Plusieurs Années toutes les Substances Animales et Végétales”. Patris et Cie. París. Ball, C.O. and Olsen, F.C.W (1957). “Sterilization in Food Technology”. New York Bigelow, W.D., Bohart, G.S., Richardson, A.C. y Ball, C.O. (1920). “Heat penetration in processing canned foods”. Bulletin of the National Canners´Association. Nº 16L. Columela, L.J.M. (42). “Re Rústica” o “Los doce Libros de Agricultura”. Traducción por J.M. Alvarez de Sotomayor y Alvarez. (1979). Sociedad Nestlé Aepa. Santander. Pasteur, L. (1875). “Études sur le vin, ses maladies, causes qui les provoquent. Procédés nouveaux pour le conserver et pour le vieillir”. Librairie F. Savy. Reimpresión de Laffitte Reprints. Marseille. Thévenot, R. (1978). “Essai pour une Histoire du Froid Artificiel dans le monde”. Institut International du Froid. París. Thorne, S. (1986). “The History of Food Preservation”. Parthenon Publishing. Casterton Hall, Kirkby Lonsdale. Cumbria.

PARTE I

BASES DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS

CAPÍTULO PRIMERO

Alteración de los alimentos 1. INTRODUCCIÓN Todo cuerpo vivo nace, se desarrolla, se degrada y muere, los alimentos por su naturaleza biológica no escapan a esta regla general, su descomposición es pues un fenómeno natural. Los tejidos vivos son resistentes a la acción degradativa de los microorganismos, pero una vez muertos son consumidos por fuerzas biológicas de uno u otro tipo. En este contexto se establece una competencia entre el hombre, los animales y los microorganismos para consumir primero estos nutrientes. Por esta razón para prevenir el deterioro de los tejidos animales y vegetales se presenta un difícil y doble cometido, se debe no sólo conservar el alimento para su uso, sino también excluir de él las otras fuerzas naturales. En los tejidos de los organismos vivos, sus componentes están en un equilibrio dinámico, determinado por el tipo de organismo o por el tipo de su metabolismo y por el medio ambiente. Los cambios bioquímicos que se producen en dicho organismo vivo son extremadamente importantes, puesto que afectan a la conservación final, relacionada con la calidad del alimento. Ahora bien, desde el punto de vista de la conservación, interesan únicamente aquellos cambios que se producen en los alimentos cuando sus procesos bioquímicos han perdido su naturaleza original, por lo que en consecuencia se ha destruido su balance metabólico y se alteran las secuencias normales de las reacciones enzimáticas. Desde el momento en que el alimento se cosecha, se recoge o se sacrifica, comienza a pasar por una serie de etapas de descomposición progresiva. Según el alimento, esta descomposición puede ser muy lenta, como en el caso de las semillas o las nueces, por ejemplo, o puede ser tan rápida que vuelve prácticamente inutilizable a un alimento en pocas horas. En la tabla 1 se indica la vida útil de algunos alimentos, en ella se puede apreciar la rapidez con que se descomponen si no se toman las medidas oportunas.

36 Procesos de conservación de alimentos Tabla 1. Vida útil de almacenamiento de tejidos vegetales y animales Producto

Días de almacenamiento a 21ºC

Carne

1-2

Pescado

1-2

Aves

1-2

Carne y pescado desecado, salado o ahumado Frutas Frutas secas

360 y más 1-7 360 y más

Hortalizas de hojas verdes

1-2

Raíces

7 - 20

Semillas secas

360 y más

La carne, el pescado y las aves, pueden volverse inútiles en uno o dos días, a temperatura ambiente. Lo mismo ocurre en el caso de varias frutas y hortalizas de hojas verdes comestibles, así como la leche cruda y muchos otros productos naturales. La temperatura del ambiente, interior o exterior, puede ser más alta de 21ºC (temperatura a la que se refiere la tabla anterior) durante una gran parte del año, y en ciertas regiones del mundo durante todo el año. Con temperaturas superiores a 21ºC los alimentos pueden tornarse inútiles en unas horas. El deterioro de los alimentos presenta un carácter diferente dependiendo del tipo de cambios que intervengan: cambios no microbianos internos o externos o cambios producidos por microorganismos. • Cambios bioquímicos no microbianos, pueden ser perceptibles o no por los sentidos del consumidor. En los alimentos se producen cambios de naturaleza bioquímica que el consumidor no puede percibir visualmente, olfativamente, etc. y que sólo pueden detectarse por medidas de laboratorio. Así, el valor nutricional de algunos componentes puede ser seriamente afectado, tales cambios incluyen la pérdida de azúcares, variaciones en el contenido y composición de sustancias nitrogenadas y gradual oxidación y pérdida de vitaminas. Estos cambios se producen por la respiración en la post-cosecha de frutas y hortalizas, por ejemplo. Los cambios que pueden ser percibidos sensorialmente por el consumidor incluyen la decoloración y cambios en el sabor, aroma y consistencia. La decoloración se pone de manifiesto por oscurecimientos no deseables, con modificaciones del color rojo hacia el marrón o el violeta, del verde hacia el amarillo, etc. El sabor y aroma, o palatabilidad, pueden llegar a desaparecer completamente, ya que las temperaturas elevadas favorecen la desaparición de sustancias volátiles y componentes aro-

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máticos del producto. La descomposición de las proteínas y el enranciamiento de las grasas son a su vez la causa de la aparición de olores y sabores extraños. Varios de los cambios no microbianos perceptibles, especialmente los que ocurren cuando el tejido vivo deja de serlo, facilitan la propagación de los microorganismos, por lo tanto, cuando se procesan los alimentos no sólo deben ser protegidos de la contaminación microbiana sino que también se deben eliminar los cambios no microbianos indeseables. • Los microorganismos de varios tipos, producen los cambios indeseables más graves en los alimentos perecederos. Se producen pérdidas substanciales de nutrientes y considerables cambios en las características externas. Los microorganismos representan el agente más temible de alteración de los alimentos, el más activo, debido a su elevadísima velocidad de reproducción en condiciones adecuadas. Están dotados de una carga enzimática notablemente desarrollada, de forma que se puede decir, que no existe en los alimentos compuesto que no sea atacado y degradado por al menos una especie microbiana. Las causas responsables de la aparición de estos cambios, que se traducen en fenómenos de alteración en los alimentos, se pueden clasificar en: • Físicas: pueden aparecer durante la manipulación, preparación o conservación de los productos y, en general, no perjudican, por sí solas, a la comestibilidad del alimento, pero sí a su valor comercial. Un ejemplo de este tipo son los daños que pueden producirse durante la recolección mecánica, golpes durante la manipulación, heridas, etc. • Químicas: se manifiestan durante el almacenamiento de los alimentos, pero su aparición no es debida a la acción de enzimas. Son alteraciones más graves que las anteriores y con frecuencia pueden perjudicar la comestibilidad del producto. Entre estas se pueden citar el enranciamiento, pardeamiento, etc. • Biológicas: son sin duda las más importantes, a su vez se pueden subdividir en: – Enzimáticas: por acción de enzimas propias del alimento, por ejemplo, la senescencia de las frutas. – Parasitarias: debidas a la infestación por insectos, roedores, pájaros, etc. Importantes no sólo por las pérdidas económicas que suponen los productos consumidos o dañados por ellos, sino por el hecho de que dañan el alimento y lo ponen a disposición de infecciones provocadas por microorganismos. – Microbiológicas: debidas a la acción de microorganismos, que son responsables de las alteraciones más frecuentes y más graves. Generalmente, en el deterioro de los alimentos intervienen simultáneamente varias de las causas citadas, por ejemplo, las causas físicas (daños, heridas, etc.) y las parasitarias abren el camino a la intervención de causas micro-

38 Procesos de conservación de alimentos biológicas, así mismo, también suelen actuar conjuntamente las causas químicas y las biológicas.

2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS Sobre estas diferentes causas de deterioro de los alimentos influyen una serie de factores ambientales: la temperatura, tanto alta como baja, la humedad y sequedad, el aire y más particularmente el oxígeno, y la luz, y junto a todas ellas, evidentemente, el tiempo, puesto que todas las causas de la degradación de los alimentos progresan con el tiempo y, una vez sobrepasado el periodo transitorio en el cual la calidad del alimento está al máximo, cuanto mayor sea el tiempo transcurrido mayores serán las influencias destructoras. 2.1. TEMPERATURA Independientemente de su efecto sobre los microorganismos, que se verá más adelante, el frío y el calor no controlados pueden causar deterioro de los alimentos. Dentro de la escala moderada de temperatura en la que se manejan los alimentos, de 10 a 38ºC, para cada aumento de 10ºC se duplica aproximadamente la velocidad de las reacciones químicas, incluyendo las velocidades tanto de las reacciones enzimáticas como de las no enzimáticas. El calor excesivo desnaturaliza las proteínas, rompe las emulsiones, destruye las vitaminas y reseca los alimentos al eliminar la humedad. El frío no controlado también deteriora los alimentos, las frutas y hortalizas que se han congelado y descongelado en el campo presentan una textura alterada. La congelación también puede producir el deterioro de los alimentos líquidos: las emulsiones se rompen, las grasas se separan, etc. El frío puede dañar también los alimentos aunque la temperatura no llegue a superar el punto de congelación. Estos daños por frío se presentan en algunas frutas y hortalizas como plátanos, limones, calabazas, tomates, etc. que pueden presentar manchas y otros daños en la epidermis si se mantienen a temperaturas inferiores a 10ºC. En la tabla 2 se recogen algunos de los daños que aparecen en frutas y hortalizas. 2.2. HUMEDAD Y SEQUEDAD Muchos productos son sensibles a la presencia de agua física en su superficie, producida por la condensación debida a cambios de temperatura. Este agua física puede producir hidropatías que habitualmente llevan a la aparición de manchas y otros defectos superficiales.

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Tabla 2. Sensibilidad de frutas y hortalizas a bajas temperaturas Producto

Manzanas Aguacates Plátanos Pepinos Berenjenas Limones Melones Sandías Naranjas Pimientos Tomates verdes Tomates maduros

Temp. seg.

1 a 2ºC 7ºC 13ºC 7ºC 7ºC 13 a 14ºC 5 a 10ºC 2ºC 1,5 a 2,5ºC 7ºC 13ºC 10ºC

Daños si 0ºC < T alm. < T seg.

Ennegrecimiento interno Ennegrecimiento interno No toman color al madurar Áreas acuosas, descomposición Manchas doradas, depresiones en la piel Depresiones en la piel, decoloración interna Depresiones piel, descomposición superficial Depresiones en la piel, mal sabor Depresiones en la piel, desecación interna Decoloraciones cerca del cáliz No toman color al madurar Rotura de los tejidos

Esta condensación puede producirse también dentro de envases estancos, tanto cuando se almacenan productos vivos o no. En el caso de alimentos vivos, como frutas y hortalizas, la humedad que se produce es debida a la respiración y transpiración de los mismos. Los productos no vivos, también pueden desprender humedad dentro del envase, que se condensará si se produce una bajada de la temperatura. La presencia de agua interviene también en el desarrollo de los microorganismos, como se verá más adelante. La cantidad más pequeña de condensación superficial es suficiente para permitir la proliferación de bacterias o el desarrollo de mohos. 2.3. AIRE Y OXÍGENO Además de los efectos que el oxígeno tiene sobre el desarrollo de los microorganismos, que se verán también más adelante, el aire y el oxígeno ejercen efectos destructores sobre las vitaminas (particularmente las vitaminas A y C), sobre los colores, los sabores y otros componentes de los alimentos. La acción química del oxígeno del aire sobre los pigmentos de las carnes y otros productos cárnicos es de dos tipos: oxigenación y oxidación. La oxigenación, o fijación inestable del oxígeno sobre la mioglobina y la hemoglobina para dar oximioglobina y oxihemoglobina, es el origen de la vivacidad del color rojo de la carne. La oxidación que transforma el hierro ferroso en hierro férrico de la hemo de la mioglobina provoca la formación de metamioglobina marrón. El oxígeno interviene también en la oxidación de las grasas, produciendo efectos variables en función de la naturaleza de las grasas y de su estado. Los ácidos grasos insaturados son más sensibles cuando están libres, su grado de insaturación aumenta su sensibilidad y la velocidad de oxidación. El ácido linolénico (C 18:3) es claramente más vulnerable que el ácido linoleico (C18:2), que a su vez lo es más que el ácido oleico (C 18:1). A temperatura ambiente el

40 Procesos de conservación de alimentos ácido esteárico (C 18:0) no es afectado por la oxidación, mientras que los ácidos grasos poli-insaturados lo son incluso a temperaturas de congelación. El oxígeno interviene además en las actividades metabólicas de las células vegetales y animales, entre las cuales las más importantes son la respiración, la biosíntesis del etileno (en el caso de los vegetales) y los procesos de oxidación, catalizados por polifenol-oxidasas y que tienen lugar entre el oxígeno y un sustrato fenólico. El oxígeno se puede eliminar aplicando vacío o arrastrándolo por medio de un gas inerte. 2.4. LUZ La luz es responsable de la destrucción de algunas vitaminas, particularmente la riboflavina, la vitamina A y la vitamina C. Además puede deteriorar los colores de muchos alimentos. Los alimentos que tienen sensibilidad a la luz pueden ser fácilmente protegidos contra ella por medio de envases que no permitan su paso. 2.5. ACCIÓN COMBINADA DE DIFERENTES FACTORES Todos estos factores no actúan de forma aislada, la mayoría de las veces se produce la actuación simultánea de algunos de ellos o bien la intervención de uno de ellos desencadena la de los demás. De la misma forma que, como se ha dicho, pueden actuar simultáneamente varias causas para alterar los alimentos, así mismo, factores como el calor, la humedad y el aire pueden influir en la proliferación y actividad de los microorganismos, lo mismo que en la actividad química de las enzimas de los alimentos. Por lo tanto para conseguir la conservación de los alimentos se deberá reducir al mínimo la actuación de todos estos factores. Si se toma como ejemplo una conserva de carne enlatada, se comprueba que el producto se ha esterilizado, y en dicho proceso se han destruido todos los microorganismos que pudieran estar presentes, a la vez el tratamiento térmico ha inactivado también las enzimas naturales de la carne. El producto esterilizado está dentro de un envase metálico, que se encarga de protegerlo de los insectos y roedores y que también impide el paso de la luz, que podría deteriorar su color y su valor nutritivo. La lata impide también que hayan intercambios de humedad con el ambiente externo, por lo que la carne no se deshidratará. Antes del cerrado del envase se habrá producido un vacío, o bien se habrá realizado un barrido con nitrógeno para eliminar el oxígeno, luego este factor tampoco afectará. Por último, las latas se almacenarán en un lugar fresco y durante un tiempo limitado, el que se haya comprobado para mantener sus cualidades. Se puede apreciar, pues, que en la producción de una conserva de carne enlatada, se han tenido en cuenta cada uno de los factores que son causa de la descomposición de los alimentos.

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3. PRINCIPALES CAUSAS DE LA ALTERACIÓN DE LOS ALIMENTOS Como se ha dicho anteriormente, las causas de alteración de los alimentos pueden ser de naturaleza física, química y biológica, también se ha indicado que las causas físicas y las parasitarias, incluidas dentro de las biológicas, son importantes porque abren el camino al ataque de los microorganismos. En consecuencia, las causas más comunes de alteración de los productos alimentarios son de naturaleza biológica y entre éstas, sin duda las más importantes por los daños económicos producidos son los microorganismos y las enzimas naturales de los alimentos. Estas dos causas, junto con las de naturaleza química, revisten una importancia notable no sólo por la frecuencia en que intervienen en los procesos de deterioro, sino también, y particularmente, porque los procesos de alteración que producen implican, en la práctica totalidad de los casos, la destrucción de todo el producto, al contrario de lo que ocurre cuando intervienen otras causas de alteración, que pueden determinar fenómenos de deterioro localizados que presentan la posibilidad de una utilización parcial del producto. 3.1. CAUSAS QUÍMICAS Entre las reacciones químicas que conducen al deterioro de los alimentos existen dos particularmente importantes: el pardeamiento no enzimático y el enranciamiento de las grasas. 3.1.1. Pardeamiento no enzimático (Reacción de Maillard) Bajo la denominación de pardeamiento no enzimático o reacción de Maillard se incluyen una serie de reacciones muy complejas, por medio de las cuales, y en determinadas condiciones, los azúcares reductores pueden reaccionar con las proteínas y producir una serie de pigmentos de color pardo-oscuro y unas modificaciones en el olor y sabor de los alimentos, que en unos casos son deseables (asados, tostados y frituras) y en otros indeseables (colores oscuros que se desarrollan durante el almacenamiento). El nombre de pardeamiento no enzimático sirve para diferenciarlo del pardeamiento enzimático, rápido, que se observa en las frutas y hortalizas como consecuencia de su oxidación. El pardeamiento no enzimático se presenta durante los procesos tecnológicos o el almacenamiento de diversos alimentos. Se acelera por el calor y, por lo tanto, se acusa en las operaciones de cocción, pasteurización, esterilización y deshidratación. El pardeamiento no enzimático es debido a una reacción que tiene lugar entre un grupo aldehido o cetona, procedente de los azúcares reductores, y gru-

42 Procesos de conservación de alimentos pos amino de aminoácidos o proteínas, va acompañado por una reducción de la solubilidad de las proteínas, una disminución del valor nutritivo y la producción de sabores extraños. El pardeamiento de Maillard, o pardeamiento no enzimático, incluye una serie de reacciones en las que el desarrollo del color tiene lugar en el último paso del proceso. Se puede resumir en tres pasos: • Paso inicial (no hay producción de color): 1. Condensación azúcar-amino para formar una glucosilamina-N-sustituida. Reacción reversible. 2. Rearreglo de Amadori, la glucosilamina se transforma en una cetosimina o aldosamina. • Paso intermedio (formación de colores amarillos muy ligeros y producción de olores desagradables). 3. Deshidratación de azúcares, se forman derivados del furfural, reductonas o dehidrorreductonas, dependiendo del pH y de la actividad de agua del sistema. 4. Fragmentación de azúcares, se forman compuestos α-hidroxicarbonilos, glucoaldehido, gliceraldehido, piruvaldehido, acetol, acetoína, diacetilo, etc. 5. Degradación de Strecker, aminoácidos más las dehidrorreductonas de 3) forman aldehidos con un átomo de carbono menos que el aminoácido inicial, más CO2. • Paso final (formación de pigmentos): 6. Condensación aldólica de compuestos intermedios para formar pigmentos insaturados con propiedades fluorescentes. 7. Polimerización de aldehidos con aminas. En la figura 1 se muestra el diagrama característico, de acuerdo con Hodge (1953), que resume todos los posibles mecanismos presentes en las reacciones de oscurecimiento de Maillard. Como consecuencia de las reacciones de Strecker se forman, además de los citados aldehidos y CO2, nuevos compuestos carbonílicos que pueden reaccionar entre sí, con los aldehidos o con las sustancias amino y producir compuestos volátiles aromáticos, deseables o no, tales como las pirazinas, entre las que destaca la dimetilpirazina que es, por ejemplo, el constituyente del aroma de las patatas chips. Esta reacción se utiliza para producir los aromas característicos de ciertos alimentos, como el chocolate, la miel y el pan. Los pigmentos responsables del color producido en las fases finales del pardeamiento son las melanoidinas coloidales, si las reacciones de Maillard y de Strecker son muy intensas, no solo producen sabores desagradables sino que dan lugar a algunas sustancias potencialmente tóxicas, las premelanoidinas, que pueden contribuir a la formación de nitrosaminas, además de tener efecto mutagénico por sí mismas.

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Figura 1.–Reacciones de pardeamiento de Maillard (Hodge, 1953).

La reacción de Maillard se favorece a pH ligeramente alcalino y por lo tanto los alimentos ácidos no están sujetos a este tipo de oscurecimiento.

44 Procesos de conservación de alimentos 3.1.2. Enranciamiento de los lípidos Las grasas y los aceites son susceptibles a diferentes reacciones de deterioro que reducen el valor nutritivo del alimento y además forman compuestos volátiles que producen olores y sabores desagradables. Esto se debe, por una parte, a que el enlace éster de los acilglicéridos puede sufrir una hidrólisis química o enzimática y, por otra, a que los ácidos grasos insaturados son sensibles a reacciones de oxidación. En general, el término rancidez se ha utilizado para describir los diferentes mecanismos a través de los cuales se alteran los lípidos. El grado de deterioro depende del tipo de grasa o aceite, los más susceptibles a estos cambios, son los de origen marino seguidos por los aceites vegetales y finalmente por las grasas animales. El deterioro de los lípidos se ha dividido en dos grupos de reacciones: enranciamiento hidrolítico y enranciamiento oxidativo. El primero se debe básicamente a la acción de las lipasas que liberan ácidos grasos de los triacilglicéridos, mientras que el segundo se refiere a la acción del oxígeno y de las lipoxigenasas sobre las insaturaciones de los ácidos grasos. En este apartado, referente a las causas químicas de deterioro, se tratará únicamente el enranciamiento oxidativo. Las reacciones de oxidación de los lípidos tienen diversos orígenes, el principal es la acción directa del oxígeno sobre los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados, con la consecuente formación de hidroperóxidos. Este tipo de rancidez se presenta comúnmente, como es obvio, en lípidos con un alto contenido de ácidos grasos insaturados y es el deterioro más común de las grasas utilizadas en la industria alimentaria. La oxidación de los lípidos insaturados puede generar una gran variedad de compuestos, que van desde sustancias polimerizadas hasta moléculas volátiles de bajo peso molecular, que producen olores y sabores desagradables en el alimento. La intensidad y la forma de oxidación, y los compuestos formados, dependen en gran parte de las condiciones de oxidación (temperatura, presencia de catalizadores, estado de dispersión de la grasa, tipo de ácido graso, cantidad de oxígeno disponible, etc.). La actividad de agua de los alimentos desempeña un papel importante en la velocidad de oxidación, las temperaturas aceleran considerablemente la oxidación así como la aireación. 3.2. CAUSAS BIOLÓGICAS Como ya se ha indicado, las causas biológicas son las más importantes en el deterioro de los alimentos y las de más graves consecuencias, y entre éstas particularmente las producidas por las enzimas naturales de los alimentos y las causadas por microorganismos.

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3.2.1. Enzimas naturales de los alimentos Las plantas y los animales tienen sus propias enzimas, cuya actividad, en gran parte, sobrevive a la recolección y al sacrificio, intensificándose con frecuencia a partir de ese momento, debido a que las reacciones enzimáticas son controladas y equilibradas con mucha precisión en la planta o en el animal que vive y funciona normalmente; pero este equilibrio se rompe cuando el animal es sacrificado o la planta retirada del campo. Si estas enzimas no son inactivadas, siguen catalizando reacciones químicas en los alimentos, algunas de estas reacciones, si no se les permite progresar más allá de un cierto límite, son muy deseables, por ejemplo la maduración de algunas frutas después de la cosecha y el ablandamiento natural de la carne, pero más allá del límite óptimo estas reacciones llevan a la descomposición de los alimentos, los tejidos debilitados son atacados por infecciones microbianas. Los mecanismos enzimáticos desempeñan un papel fundamental en la transformación post-mortem del músculo en carne. En lo que afecta a la terneza de las carnes intervienen al menos dos sistemas enzimáticos, el color depende de la regulación del estado de oxido-reducción de la mioglobina y en el aroma intervienen tanto la proteolísis post-mortem como la lipolísis. La célula vegetal, con respecto a la célula animal, presenta sistemas enzimáticos específicos: las enzimas que sintetizan y degradan los constituyentes de las paredes celulares (polisacáridos), las enzimas de la vía de la biosíntesis del etileno y las enzimas del ciclo de Calvin, por ejemplo. Los dos primeros sistemas desempeñan un papel importante en los procesos de maduración del vegetal y, cuando se alcanza este estado, en los procesos de alteración de la célula vegetal. Esta alteración se manifiesta a nivel macroscópico por un ablandamiento de las frutas o de las hortalizas. Los golpes (causa física de deterioro) aceleran el ablandamiento, puesto que destruyen la integridad celular con liberación de hidrolasas contenidas en las vacuolas y porque estimulan la producción de etileno. Así mismo, los cristales de hielo formados durante la congelación son perjudiciales para la firmeza de las frutas y hortalizas por las mismas razones: liberación de enzimas que hidrolizan las paredes. A estos sistemas enzimáticos hay que añadir otras enzimas que no son específicas de los vegetales, tales como la lipoxigenasa y la polifenoloxidasa, que intervienen en los procesos de post-maduración de los vegetales y cuyos efectos no son deseables (aparición de olores y colores desagradables) y las lipasas que son causantes de la lipolísis, enranciamiento lipolítico, muy notable en productos lácteos por ejemplo. 3.2.2. Microorganismos El proceso de deterioro de naturaleza microbiana es un fenómeno variable, dado que está condicionado por el tipo y número de especies microbianas presentes, que a su vez está condicionado por la composición química del sustrato

46 Procesos de conservación de alimentos y de las condiciones de conservación, sobre todo la temperatura y la presencia o ausencia de oxígeno. 3.2.2.1. Efectos del metabolismo de los microorganismos en los alimentos La presencia y la actividad de los microorganismos, bajo ciertos puntos de vista, es un fenómeno útil dado que, a través de su carga enzimática, desarrollan toda una serie de transformaciones de la materia orgánica que contribuyen de forma esencial a completar el ciclo de la materia en la naturaleza. En otras palabras, la acción de los microorganismos en los alimentos, tiene como fin último la mineralización de la materia orgánica, desafortunadamente, este largo camino del desarrollo de los microorganismos da lugar a la formación de toda una serie de compuestos siempre más simples que, en la mayor parte de los casos, tienen como consecuencia la modificación de las características organolépticas del producto, la aparición de fenómenos de alteración y en consecuencia el alimento deja ser adecuado para el consumo humano y, en algunos casos, afortunadamente bastante pocos, además nocivo para la salud. Los mecanismos por medio de los cuales los microorganismos realizan la escisión y transformación de la materia orgánica son muy complejos, pero las vías metabólicas seguidas fundamentalmente pueden reducirse a dos: oxidación y fermentación. Aunque la carga enzimática de los microorganismos es tal que pueden atacar simultáneamente a la mayor parte de los sustratos, las vías metabólicas se exponen separadamente según el grupo principal del sustrato (hidratos de carbono, lípidos, prótidos, etc.), además hay que señalar que, los metabolitos formados de la escisión de un compuesto determinado pueden ulteriormente ser metabolizados siguiendo una vía metabólica propia de otro grupo de sustancias. Los hidratos de carbono son utilizados por los microorganismos esencialmente como fuente energética. Generalmente, salvo raras excepciones, los polisacáridos son primero escindidos en monosacáridos, los cuales a su vez son degradados a compuestos de 1, 2, 3 y 4 átomos de carbono. Con excepción de pocas especies microbianas, los monosacáridos son escindidos en primer lugar en ácido pirúvico, el cual será posteriormente, en condiciones aerobias, oxidado completamente hasta la formación de CO2 y H2O, o bien, en anaerobiosis, en compuestos orgánicos más simples, característicos del tipo de fermentación microbiana involucrada. Según los productos finales obtenidos, se pueden distinguir varios tipos de fermentación: alcohólica, láctica, etc. En el Capítulo III se tratan los diferentes tipos de fermentación, que cuando se realizan en condiciones controladas son interesantes para la conservación de los alimentos, pero que también pueden ser causa de alteraciones. Los lípidos presentes en varios productos alimentarios sufren la acción demoledora de los microorganismos capaces de producir una lipasa, es decir los microorganismos lipolíticos. No obstante hay que señalar que las alteracio-

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nes de los lípidos producidas por microorganismos son mucho menos importantes que las de naturaleza puramente química. Los productos derivados de la escisión de los lípidos varían según el tipo de lípidos afectados, así se tendrá formación de glicerol y de diversos ácidos grasos insaturados y saturados en el caso de la escisión de los glicéridos; o bien glicerina, ácido ortofosfórico y un aminoácido en el caso de los fosfolípidos. Los compuestos que así se forman sufren también una escisión ulterior siguiendo vías metabólicas típicas de las sustancias no nitrogenadas o de las nitrogenadas, así el glicerol es escindido como triosas, mientras que los aminoácidos siguen la vía de las sustancias nitrogenadas. De cualquier modo los productos más interesantes de la escisión de los lípidos son los ácidos grasos, algunos de los cuales, especialmente los de cadena corta (ácido acético, propiónico, butírico, caprónico) pueden producir olores y sabores desagradables. En otros casos, estos ácidos pueden formar principios de olores agradables, pero anormales como el butirato de etilo (olor de piña) o el isovalerianato de etilo (olor de fresa), esterificando los alcoholes que se originan de la fermentación de los azúcares. Además hay que recordar que estos ácidos grasos son directamente responsables de la aparición del fenómeno de rancidez, que se manifiesta con la aparición de un sabor y olor característico. Los prótidos representan el componente más importante de los productos alimentarios de origen animal y su demolición implica siempre cambios notables de sus características organolépticas. La demolición de las proteínas se inicia siempre con la rotura de los enlaces peptídicos y con la formación de proteosas, peptonas, polipéptidos, dipéptidos, péptidos y aminoácidos, estos últimos intervienen de forma considerable sobre el olor y sabor del producto. Los aminoácidos son escindidos posteriormente por medio de dos procesos fundamentales, desaminación y descarboxilación, en compuestos más simples como ácidos saturados o insaturados, cetoácidos o hidroxiácidos y NH3 o bien en las correspondientes aminas y CO2. Son muchos los microorganismos aerobios o anaerobios, esporógenos o no, Gram positivos o Gram negativos, capaces de realizar la escisión de las proteínas. Esta escisión se desarrolla de manera diferente según tenga lugar en ambiente aerobio o anaerobio. En general, los microorganismos aerobios, por lo tanto ambiente aerobio, escinden las proteínas en compuestos más simples por medio de toda una serie de reacciones oxidativas; los productos finales están completamente oxidados y no se tiene nunca la aparición de productos de mal olor; cuando hay presente ácido sulfhídrico en general aparece bajo forma de sulfato y el amoniaco es oxidado posteriormente a nitrato. Cuando la escisión de las proteínas es producida por microorganismos anaerobios, los productos finales no están nunca completamente oxidados, como en el caso anterior, sino que se forman compuestos intermedios como indol, mercaptanos, ácido sulfhídrico y amoniaco que hacen el producto maloliente y nauseabundo.

48 Procesos de conservación de alimentos La degradación de las proteínas no es nunca deseable cuando se desarrolla sobre productos frescos, tales como carnes, pescados, etc. y su desaparición provoca siempre una depreciación del valor comercial del producto. Es en cambio deseable cuando es controlada y detenida en el momento oportuno, en todos los productos alimentarios sometidos a maduración, pero en todos los casos es siempre indeseable cuando la degradación es intensa hasta límites tales que producen verdaderos cambios de las características organolépticas, dando lugar genéricamente a fenómenos de putrefacción. En líneas generales, en el sector de los productos de origen animal se distingue una putrefacción aeróbica superficial y una putrefacción anaeróbica profunda, aunque en definitiva los dos fenómenos son perfectamente superponibles. La putrefacción aerobia es debida a un gran número de microorganismos aerobios, esporógenos o no, Gram positivos y Gram negativos, muchas de estas especies son psicrófilas, por lo que el proceso se puede manifestar también a baja temperatura. La putrefacción anaerobia se debe a la actividad de microorganismos anaerobios, pertenecientes al género Clostridium. 3.2.2.2. Origen de los microorganismos en los alimentos Existen miles de géneros y especies de microorganismos, varios centenares de ellos están relacionados de una u otra forma con los productos alimentarios. Los microorganismos de importancia alimentaria son aquellos que están presentes de forma natural en el alimento, o bien han sido aportados por contaminación, o han sido añadidos intencionadamente durante algún momento de su historia, pero, independientemente de su origen, todos han encontrado en el producto condiciones favorables para su desarrollo. En los alimentos se puede encontrar, por tanto, dos tipos de microorganismos: • Los que se utilizan en su proceso de fabricación, de conservación, o se usan para potenciar su sabor. Este tipo de microorganismos y los procesos en los que participan se tratarán en el Capítulo III. • Los que suponen la causa principal de deterioro de los alimentos, son el objeto de este Capítulo. Los microorganismos de este último grupo están presentes en el ambiente natural del hombre (en el agua, suelo, aire, etc.), en el propio hombre y en todos los seres vivos (plantas y animales), en la piel del ganado, en las plumas de las aves, en las cortezas de frutas y hortalizas, en el equipo utilizado en la manipulación y procesado de los alimentos que no ha sido esterilizado y también en las manos, piel y ropa del personal que maneja los alimentos. Un hecho importante es que los microorganismos no se encuentran generalmente dentro de los tejidos vivos y sanos de animales o plantas. Pero siempre están presentes y dispuestos a invadirlos si se producen roturas en la piel o cáscara o si ésta ha sido debilitada. La piel de los animales, de las frutas, la cáscara de los huevos, etc., constituyen barreras naturales que las células microbianas no pueden atravesar. Sin

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embargo, durante la preparación de la canal de los animales en el matadero, la piel puede ser un foco de contaminación, o también los microorganismos presentes en el tracto intestinal, las vísceras son las principales fuentes de contaminación de las carnes y pescados; la leche puede así mismo contaminarse con los microorganismos presentes en la superficie de las ubres; las frutas y hortalizas pueden sufrir daños durante la recolección, que facilitan la entrada de los microorganismos. Los microorganismos que aparecen en la superficie de los alimentos son los que habitualmente se encuentran en el suelo, en el agua o en las materias fecales. La contaminación de los alimentos es relativamente específica y dirigida por el ambiente, el suelo determina de forma importante la flora de las frutas y hortalizas, la piel de los animales y las vísceras la de la carne, la superficie de las ubres la de la leche, a esto hay que añadir las características físicoquímicas del alimento, que son esenciales para favorecer la instalación de una flora específica en el mismo, por ejemplo los mohos en frutas y cereales. Durante el proceso industrial, la flora que contamina la materia prima sufrirá una transformación, las operaciones tecnológicas producirán modificaciones en las características físico-químicas del producto, que provocarán fenómenos de selección y de dominancia de ciertos géneros y especies microbianas. La propia industria alimentaria y su ambiente son fuente de nuevas contaminaciones, que se añaden a las anteriores; también en este caso las causas siguen siendo el aire, el suelo y el agua, pero además hay que tener en cuenta la gran importancia que, desde este punto de vista, presentan los equipos industriales, las distintas superficies, pequeños instrumentos y el personal. Estas contaminaciones dependen del diseño de los locales y de las líneas de fabricación, así como del nivel de higiene conseguido con las prácticas de limpieza, desinfección y mantenimiento general de la industria, así como de la higiene del personal. Este tipo de contaminaciones conduce, la mayoría de las veces, a una diversificación de los géneros microbianos y a un aumento global de la flora. Según el tipo de microorganismos implantados en los alimentos, cuya identidad depende de las características físico-químicas del alimento, la contaminación puede tener consecuencias más o menos importantes, desde la simple alteración del producto, haciéndole perder sus características organolépticas o su valor comercial, hasta la producción de intoxicaciones y toxiinfecciones graves en el consumidor. 3.2.2.3. Principales grupos de microorganismos causantes de alteraciones Los principales tipos de microorganismos que participan en el deterioro de los alimentos son bacterias, mohos y levaduras, que pueden atacar prácticamente todos los componentes de los alimentos, y cuando éstos se contaminan bajo condiciones naturales, es probable que actúen a la vez varios tipos de microorganismos y contribuyan a una serie de cambios simultáneos. Las bacte-

50 Procesos de conservación de alimentos rias, mohos y levaduras se desarrollan en condiciones calurosas y húmedas, y en condiciones favorables presentan una gran velocidad de multiplicación, pudiendo duplicar su número cada 30 minutos. Estas propiedades de las bacterias, mohos y levaduras hacen de ellos la causa más importante de la descomposición de los alimentos, aunque, afortunadamente, muy pocos de ellos producen toxinas capaces de originar intoxicaciones en el consumidor. 3.2.2.3.1. Bacterias El crecimiento de las bacterias, tanto en el interior de los alimentos como en la superficie de los mismos, suele ser lo suficientemente abundante como para proporcionarles un aspecto desagradable, o para convertirlos en perjudiciales. Las bacterias que producen pigmentos modifican el color de la superficie de los alimentos, también la superficie de los líquidos puede estar recubierta de un velo debido al crecimiento de bacterias, pueden además comunicar viscosidad a la superficie de los alimentos y producir turbiedad en toda la masa de los líquidos. Las reacciones producidas en los alimentos como consecuencia del metabolismo de las bacterias incluyen el desdoblamiento hidrolítico de los hidratos de carbono complejos en otros más sencillos, el desdoblamiento hidrolítico de las proteínas en polipéptidos, aminoácidos y amoníaco o aminas, y el desdoblamiento hidrolítico de las grasas en glicerol y ácidos grasos. Las reacciones de óxido-reducción utilizadas por las bacterias para obtener energía de los alimentos originan, como productos resultantes de las mismas, ácidos orgánicos, alcoholes, aldehidos, cetonas y gases. Una importante propiedad de algunas bacterias es su capacidad de formar esporas resistentes después de una propagación intensiva en condiciones favorables, las esporas no poseen ninguna actividad metabólica lo cual les permite sobrevivir en ambiente desfavorable. Las bacterias, bien sean Gram positivas o Gram negativas, son esencialmente Eubacterias. Pertenecen a un número de familias relativamente restringido: Enterobacteriaceae, Neisseriaceae, Vibrionaceae, Micrococaceae, Streptococcaceae, Lactobacillaceae, Bacillaceae, Pseudomonadaceae y alrededor de una treintena de géneros diferentes de los que los más importantes son: Escherichia, Salmonella, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Staphylococcus, Streptococcus y Lactobacillus. Algunas especies pertenecientes a alguno de estos géneros son patógenas y particularmente indeseables en los alimentos: Salmonella typhi, Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, Vibrio parahaemolyticus, Bacillus aureus, Escherichia coli, Campylobacter sp. Yersinia enterocolitica, etc. En la tabla 3 se indican los principales síntomas observados en las infecciones producidas por estos microorganismos. Las Salmonellas son aero-anaerobias, Gram negativas. Su temperatura óptima de crecimiento se sitúa entre 35 y 37ºC, sin embargo pueden multiplicarse desde 5 a 45/47ºC, aunque a temperaturas inferiores a 10ºC el crecimiento

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sufre un retraso considerable. Como todas las bacterias Gram-negativas presentan una cierta sensibilidad al calor, aunque pueden observarse algunas diferencias en función del tipo de alimentos. Las temperaturas de refrigeración permiten su supervivencia, mientras que la congelación provoca un descenso considerable del número de Salmonellas, aunque nunca produce su completa desaparición. Soportan un rango de pH entre 4,5 y 9, con un óptimo de 6,5 a 7,5. Pueden existir variaciones en la intensidad del crecimiento en función del tipo de ácido utilizado para conseguir un determinado pH. Se desarrollan bien a valores de actividad de agua (aw) de 0,950 a 0,999 (Véase concepto de actividad de agua en los Capítulos II y XII). Los alimentos más a menudo implicados son las carnes y los productos cárnicos, algunos productos de charcutería, las aves y productos derivados, los ovoproductos y otros productos diversos a base de huevo, la leche, la leche en polvo y otros productos lácteos. Los productos vegetales pueden así mismo servir de vectores a las Salmonellas. Se encuentra en el tracto intestinal del hombre y de los animales y la contaminación se produce por medio del agua, del hombre, roedores y contaminación cruzada. En el caso de Clostridium perfringens se trata de bacterias anaerobias esporuladas, Gram-positivas, que producen un gran número de toxinas. En general en los alimentos en los que da lugar a intoxicaciones son los productos cárnicos. Se trata de un microorganismo termófilo y por lo tanto puede desarrollarse a un rango bastante amplio de temperaturas. El Clostridium botulinum es también una bacteria Gram-positiva esporulada, anaerobia estricta. Existen diferentes serotipos de Cl. botulinum cuya diferenciación se hace esencialmente en función de la especificidad de las toxinas, existen siete toxinas inmunológicamente diferentes denominadas con letras de la A a la G, de las cuales las que son importantes para el hombre son A, B, E y F. Para el tipo E la temperatura óptima de crecimiento es 30ºC y la mínima 5ºC. Estos datos ponen de manifiesto la aptitud del tipo E para germinar, desarrollarse y producir toxina a bajas temperaturas, mientras que los demás tipos necesitan temperaturas bastante más elevadas. Cl. botulinum se desarrolla a pH próximos a la neutralidad, se considera que por debajo de pH = 4,5 es imposible su crecimiento, de ahí el mayor riesgo de los alimentos de pH elevado. Sus esporas son termorresistentes y por lo tanto capaces de sobrevivir a un tratamiento térmico insuficiente. El Staphylococcus aureus, es una bacteria no esporógena , con un intervalo de crecimiento entre 6,7 y 45,4ºC con un óptimo entre 37 y 40ºC. El rango de pH al que puede desarrollarse es de 4,5 a 9,3 y crece a una actividad de agua aw = 0,88. Las enterotoxinas que produce son muy resistentes al calor. Su transmisión se produce por los manipuladores de los alimentos y por equipos contaminados. Escherichia coli, es también una bacteria no esporógena, que está presente en el tracto intestinal del hombre y de los animales. Se puede encontrar en materias primas no procesadas: carne, leche, quesos no pasterizados, etc. Su contaminación se debe fundamentalmente a una falta de higiene, por los mani-

52 Procesos de conservación de alimentos puladores de los alimentos, etc. No sobrevive a temperaturas de congelación durante largos periodos. La Yersinia enterocolitica, de la familia de las Enterobacterias, tiene la particularidad de desarrollarse a bajas temperaturas y está igualmente asociada a un cierto número de gastroenteritis. Listeria monocytogenes, es una bacteria no esporógena, con un óptimo de crecimiento entre 4,4 y 36,7ºC. La pasterización HTST puede no matar todas las Listerias si están presentes en formas encapsuladas. Se puede encontrar en productos lácteos y huevos. Tabla 3. Principales síntomas de las toxiinfecciones alimentarias y gastroenteríticas de origen bacteriano Incubación

Duración y síntomas

Salmonella

Bacterias

6-48 horas en general de 12 a 36 horas

1 a 7 días. Diarrea, Dolores abdominales. Vómitos. Fiebre la mayor parte del tiempo.

Clostridium perfringens

8-22 horas

12 a 24 horas. Diarrea. Dolores abdominales. Náuseas. Raramente vómitos. Sin fiebre.

Clostridium botulinum

En general 18 a 36 horas

Muerte en 24 horas a 8 días, o convalecencia lenta de 6 a 8 meses. Síntomas variables que incluyen perturbaciones de la visión, dificultades de elocución y de salivación. Formación de numerosas mucosas en la boca. Lengua y faringe muy secas. Debilidad progresiva y parada respiratoria.

Staphylococcus aureus

0,5-6 horas

6-24 horas. Náuseas. Vómitos. Diarreas y dolores abdominales. Sin fiebre. Colapso y deshidratación en los casos graves (excepcionales).

Vibrio parahaemolyticus

2-48 horas generalmente 12 a 18 horas

2-5 días. Diarrea que conduce frecuentemente a la deshidratación. Dolores abdominales. Vómitos y fiebre.

Bacillus cereus

8-16 para la forma diarréica a) 1-15 para la forma emética b)

a) 12-24 horas. Dolores abdominales. Diarrea. Algunas náuseas. b) 6-24 horas. Náuseas. Vómitos. Algunas veces diarreas.

Escherichia coli

12-72 horas

1 a 7 días. a) Afección parecida al cólera. Diarrea acuosa y dolores. b) Forma parecida a una disentería. Diarrea prolongada, sangrante y con mucosas.

Campylobacter

2 a 5 días (o más algunas veces)

Fiebre. Diarrea profusa. Dolores abdominales.

Yersinia enterocolitica

Dolores abdominales. Fiebre. Dolor de cabeza. Vómitos. Náuseas. Escalofríos.

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3.2.2.3.2. Mohos Los mohos invaden con rapidez cualquier sustrato, gracias a su eficacia en la diseminación, a un crecimiento rápido y a que poseen una rica carga enzimática. La alteración de los alimentos por mohos se debe a las modificaciones que estos producen durante su desarrollo, toman del sustrato todos los elementos necesarios para su crecimiento y para producir la energía necesaria para sus procesos vitales, transformándolos gracias a sus poderosos sistemas enzimáticos. Los compuestos de peso molecular elevado, como los polisacáridos (sustancias pécticas, hemicelulosa, celulosa) o de reserva (almidón), los lípidos y las proteínas, para poder ser utilizados son transformados en moléculas más simples, gracias a las hidrolasas (celulasas, amilasas, lipasas, proteinasas, etc.). Las reacciones de oxidación y de reducción son realizadas por medio de oxidasas, peroxidasas, deshidrogenasas, etc. Los mohos son aptos para extraer o transformar la mayor parte de los componentes de los alimentos. Las condiciones de desarrollo de los mohos en los alimentos son muy complejas, debido a su gran diversidad y también a su notable capacidad de adaptación. La mayoría de los mohos se desarrollan entre 15 y 30ºC con un óptimo de crecimiento alrededor de 20-25ºC, sin embargo algunas especies presentan un crecimiento lento, aunque significativo incluso a –6ºC, se pueden encontrar por tanto en los almacenes frigoríficos. Los mohos resisten temperaturas muy bajas, sus esporas sobreviven y permanecen aptas para germinar cuando se recuperan las condiciones normales. Así mismo, las esporas pueden también sobrevivir a temperaturas muy elevadas. En los túneles de secado puede existir una microflora fúngica muy abundante, en la que predominan las especies termófilas o termorresistentes. Ciertos mohos termotolerantes se comportan como agentes térmicos: Aspergillus candidus, bastante común en granos, puede hacer subir espontáneamente la temperatura de un silo hasta 55ºC, entre estas especies se encuentran las que son potencialmente patógenas para el hombre o los animales. La humedad tiene una gran influencia sobre el desarrollo de los mohos, pero más que la humedad del sustrato es la disponibilidad de agua (actividad de agua, aw) el parámetro más importante. A 25ºC algunas especies pueden crecer a una aw < 0 ,70, que evidentemente encontrarán sobre frutas secas, confituras, leche en polvo, productos de charcutería desecados, granos y derivados de los cereales. Sin embargo, la mayoría de los mohos prefieren una aw más elevada, de 0,80 a 0,95. La cantidad de oxígeno disponible es también un factor importante en el desarrollo de los mohos, la mayoría son aerobios, aunque algunos soportan una anaerobiosis muy estricta. No son demasiado exigentes en cuanto a pH. Los mohos se encuentran principalmente en los cereales y sus derivados, en los productos lácteos, en las carnes y los productos cárnicos, en las oleaginosas, las frutas y hortalizas, en los frutos secos, las confituras y en las bebidas. Las modificaciones químicas producidas en los alimentos por los mohos se traducen en alteraciones del valor nutritivo o de sus características organolépti-

54 Procesos de conservación de alimentos cas, en dificultades de conservación y a veces en enfermedades profesionales (micosis, alergias) o intoxicaciones (micotoxinas, así algunos Aspergillus, entre ellos el Aspergillus flavus, que se desarrolla en los granos y brotes de oleaginosas, son capaces de sintetizar toxinas altamente cancerígenas: las aflatoxinas). 3.2.2.3.3. Levaduras Las levaduras que contaminan los alimentos, con frecuencia son especies bien conocidas que provocan cambios indeseables en ellos. Estos cambios pueden manifestarse de dos formas, una puramente estética, debida a la presencia física de levaduras (turbidez o formación de una película en la superficie de los líquidos) y otra, más profunda, resultado del metabolismo de las levaduras que puede provocar aumento del pH, aromas particulares, etc. Las levaduras para su crecimiento necesitan oxígeno, fuentes de carbono orgánicas y nitrógeno mineral u orgánico, diversos minerales y una temperatura y pH adecuados. Algunas además necesitan de una o varias vitaminas y otros factores de crecimiento. Utilizan numerosos substratos carbonados, bien por vía oxidativa únicamente o, como pasa en la mayoría de los casos, por vía fermentativa, después de una fase inicial de crecimiento aeróbico. La temperatura de crecimiento está comprendida entre 5 y 30-37ºC, el valor óptimo se sitúa hacia los 25ºC. En algunos casos la multiplicación vegetativa tiene lugar incluso a aproximadamente 0ºC o algo por debajo, pero el crecimiento es muy lento. El contenido de agua en el medio es también un factor importante para el crecimiento, algunas levaduras son osmotolerantes y soportan actividades de agua del orden de 0,62, valores al que ningún otro organismo puede desarrollarse. Por lo tanto, la composición química del alimento, la concentración de oxígeno, la temperatura y las condiciones de almacenamiento, son factores que seleccionan las levaduras susceptibles de proliferar en un alimento y el número de especies capaces de desarrollarse se limita a unas pocas. Las levaduras no dan lugar a intoxicaciones alimentarias y únicamente Candida albicans y Cryptococcus neoformans son patógenas. Aunque no originan problemas sanitarios en los alimentos, sí ocasionan alteraciones en alguno de ellos: productos azucarados y ácidos.

4. CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS Y PREDICCIÓN DE LA VIDA ÚTIL La calidad de los alimentos se define como el conjunto de propiedades que influyen en su aceptación por el consumidor y que diferencian unos de otros. Como se ha indicado anteriormente, los alimentos son sistemas físico-químicos

Alteración de los alimentos

55

y biológicamente activos, por lo tanto la calidad de los alimentos es un estado dinámico que se mueve continuamente hacia niveles más bajos. Así pues, para cada alimento particular, hay un periodo de tiempo determinado, después de su producción, durante el cual mantiene el nivel requerido de sus cualidades organolépticas y de seguridad, bajo determinadas condiciones de conservación. Este periodo se define como vida útil del alimento correspondiente. Durante el almacenamiento y distribución, los alimentos están expuestos a un amplio rango de condiciones ambientales, factores tales como temperatura, humedad, oxígeno y luz, que, como ya se ha indicado, pueden desencadenar mecanismos de reacción que conducen a su degradación. Como consecuencia de estos mecanismos los alimentos se alteran hasta ser rechazados por el consumidor. Es necesario por tanto, conocer las diferentes reacciones que causan esta degradación de los alimentos para desarrollar procedimientos específicos para la evaluación de su vida útil. La cinética de deterioro de los alimentos se puede expresar matemáticamente por medio de ecuaciones de relación. Aplicando los principios fundamentales de la cinética química, los cambios en la calidad de los alimentos pueden, en general, expresarse como una función de la composición de los mismos y de los factores ambientales: dQ = F (Ci, Ej) dt donde Ci son factores de composición, tales como concentración de algunos compuestos de reacción, enzimas, pH, actividad de agua, así como población microbiana y Ej son factores ambientales tales como temperatura, humedad relativa, presión total y parcial de diferentes gases, luz, etc. La metodología de trabajo consiste en identificar primero las reacciones químicas y biológicas que influyen en la calidad y seguridad del alimento. Entonces, a través de un estudio cuidadoso de los componentes del alimento y del proceso, se determinan las reacciones que se considera que presentan el impacto más crítico. El estudio de la cinética de las reacciones químicas implica el conocimiento de las constantes y de los mecanismos por los cuales una especie química se convierte en otra. Si se considera la siguiente reacción química: kf

aA + bB ⇔ cC + dD kb

donde A y B son los compuestos que reaccionan; C y D son los productos de la reacción; a, b, c, y d son los coeficientes estequiométricos; kf y kb son las constantes de velocidad, en ambos sentidos, de la reacción (hacia la derecha y hacia la izquierda, respectivamente).

56 Procesos de conservación de alimentos Las constantes de velocidad de reacción se pueden determinar controlando cómo varía la concentración de cada uno de los productos. El mecanismo de reacción es más difícil de determinar, puesto que implica conocer la secuencia de pasos que llevan al resultado final. Los mecanismos de reacción se determinan sólo en los sistemas simples. La variación de la concentración con respecto al tiempo del producto A que interviene en la reacción, se podrá expresar de la forma siguiente: –

d [A] = kf [A]α [B]β – kb [C]γ [D]δ dt

[1]

donde [A], [B],[C] y [D] son las concentraciones de los compuestos que intervienen en la reacción y α, β, γ y δ son los órdenes de las reacciones de cada compuesto obtenido o consumido. Como no es posible la resolución de forma directa de ecuaciones tan complejas como la del ejemplo anterior, ya que incluye demasiadas incógnitas, será necesario emplear algunas simplificaciones para su resolución. Por ejemplo, elegir las condiciones de trabajo de forma que sea predominante uno de los sentidos de la reacción. Si hacemos que la concentración del compuesto B sea muy alta, su variación podrá ser considerada como despreciable, y en consecuencia la constante de la reacción hacia la izquierda será considerablemente más pequeña que hacia la derecha. En este caso la ecuación [1] se convertirá en: –

d [A] = k’f [A]n dt

donde k’f es la pseudo constante de velocidad y n el pseudo orden de la reacción. Debido a la naturaleza compleja de los alimentos, es difícil determinar los mecanismos de las reacciones intermedias que llevan a un particular cambio en la calidad. En la práctica, la degradación de los alimentos y en consecuencia la pérdida de vida útil está representada por la pérdida de los factores de calidad deseados (Qd), por ejemplo, nutrientes, flavor característico, etc. o por la formación de factores de calidad indeseables (Qi), por ejemplo, decoloración, flavor desagradable, etc. Según lo dicho anteriormente, la pérdida de Qd y la formación de Qi vendrán expresadas por: –

–

d [Qd] dt d [Qi] dt

= k [Qd]n

= k ’ [Qi]n’

Alteración de los alimentos

57

donde [Qd] y [Qi] son normalmente parámetros químicos, físicos, microbiológicos o sensoriales cuantificables de un sistema alimentario concreto, k y k´ son las constantes aparentes o pseudo constantes de velocidad de reacción y n y n´ son los órdenes aparentes o pseudo ordenes de la reacción. Los ordenes y las constantes aparentes de velocidad de reacción se determinan experimentalmente, midiendo las variaciones de [Qd] y [Qi] con respecto al tiempo. Representando gráficamente los valores obtenidos, se podrán trazar las correspondientes curvas o bien ajustar los datos por mínimos cuadrados a la ecuación apropiada. Resumiendo, para un atributo de calidad Q se puede escribir la expresión general ±

dQ = kQn dt

donde ± se refiere al incremento o disminución del valor del atributo Q, k es la pseudo constante de velocidad de reacción cuando ésta se desplaza hacia la derecha y n es el orden aparente de esta reacción. Se asume que los factores ambientales tales como temperatura, humedad y luz, así como las concentraciones de los otros componentes permanecen constantes. Para un atributo de calidad que disminuya con el tiempo, la ecuación anterior se puede escribir: dQ = kQn dt

–

[2]

4.1. REACCIÓN DE ORDEN CERO Consideremos un atributo de calidad Q, que disminuye de forma lineal durante el periodo de almacenamiento, como se representa en la gráfica 1. Una disminución lineal del atributo implica que su variación con respecto al tiempo es constante, y que, por lo tanto, la pérdida de dicho atributo no depende de su concentración. La relación lineal entre atributo y tiempo se obtiene cuando la reacción es de orden cero, por lo tanto si en la ecuación anterior [2] se hace n = 0, tendremos: –

dQ =k dt

[3]

58 Procesos de conservación de alimentos Integrando esta ecuación se obtiene: Q = Q0 – kt donde Q0 representa el valor inicial del atributo de calidad y Q es el valor que toma dicho atributo después de transcurrido el tiempo t.

Tiempo de almacenamiento (t) Gráfica 1.–Disminución de un atributo de calidad durante el almacenamiento del alimento. Reacción de orden cero.

Si el final de la vida útil, tu , se alcanza cuando el atributo de calidad toma un cierto valor, llamado Qƒ, tendremos: Qf = Q0 – k tu En consecuencia, la vida útil tu será: tu =

Q0 – Qf k

[4]

El empleo de una ecuación de orden cero es útil en la descripción de procesos tales como la degradación enzimática, el pardeamiento no enzimático y la oxidación de los lípidos que lleva al desarrollo de olores rancios.

Alteración de los alimentos

59

4.2. REACCIÓN DE PRIMER ORDEN Consideremos ahora la gráfica 2, en la que el atributo de calidad Q disminuye de forma exponencial durante el periodo de almacenamiento. En este caso, el ritmo de pérdidas del atributo de calidad depende de la cantidad que queda del mismo, y esto implica que a medida que el tiempo avanza y el atributo de calidad disminuye la velocidad de reacción es cada vez menor. La relación exponencial entre el atributo de calidad y el tiempo se puede explicar con una reacción de primer orden, n = 1, por lo tanto la ecuación [2] quedará: dQ dt

–

= kQ

Integrando se obtiene: 1n

Q = kt Q0

donde Q es la cantidad de atributo que queda en el tiempo t. 1n Q = 1n Q0 – kt que en la forma exponencial sería: Q = Q0 e–kt

Gráfica 2.–Disminución de un atributo de calidad durante el almacenamiento del alimento. Reacción de primer orden.

60 Procesos de conservación de alimentos Como en el caso anterior, el final de la vida útil (tu) se alcanzará cuando el atributo de calidad tome el valor Qf , por lo que tendremos: 1n Qf = 1n Q0 – ktu

tu =

1n Q0 – 1n Qf k

[5]

Entre las reacciones de deterioro de los alimentos que se rigen por ecuaciones de primer orden, tenemos las pérdidas de vitaminas y de proteínas y el crecimiento microbiano. En algunas ocasiones es interesante conocer la vida media de un producto, es decir el tiempo de almacenamiento necesario para que el valor del atributo considerado se reduzca a la mitad de su valor inicial: Qf =

Q0 2

En el caso de una reacción de orden cero tendríamos: Q0 Q0 – —– 2 = Q0 t1 = ———— /2 2k k y en el caso de que la reacción sea de primer orden:

Q0 1n Q0 – 1n —– 2 = 1n2 = 0,693 t1 = ——————– /2 k k k

Del mismo modo que se han establecido las funciones de calidad y el tiempo de vida media para las reacciones de orden cero y de primer orden, pueden calcularse para los otros órdenes, como se recoge en la tabla 4.

Alteración de los alimentos

61

Tabla 4. Forma de la función de calidad y tiempo de vida media para reacciones de diferente orden Orden aparente de la reacción

Función de calidad

Tiempo de vida media (t1/2)

0 1 2 n (n ≠ 1)

Q0 – Qf 1n (Q0/Qf) 1/Qf – 1/Q0

Q0 / (2k0) 1n 2/k1 1 / (k2 Q0)

1 (Q1–n – Q1–n 0 ) n–1 f

2n–1 – 1 1–n A kn (n – 1) 0

La mayoría de las reacciones estudiadas en los alimentos, se han caracterizado como de orden pseudo cero o de pseudo primer orden. En la tabla 5 se indican algunos ejemplos significativos.

Tabla 5. Reacciones de pérdida de calidad que siguen cinéticas de orden cero y de primer orden Orden cero

Calidad global de alimentos congelados Pardeamiento no enzimático

Primer orden

Pérdida de vitaminas Muerte/desarrollo microbiano Pérdida de color por oxidación Pérdida de textura en tratamientos térmicos

Hay que ser cuidadoso en el momento de tomar la decisión de cual es el orden aparente apropiado para una determinada reacción. En efecto, si no se permite que la transformación estudiada tenga lugar durante un tiempo suficientemente largo, las reacciones de orden cero y de primer orden admiten el mismo ajuste, como puede verse en la gráfica 3. Es decir, que una reacción de primer orden se podrá tratar como si fuera de orden cero siempre y cuando los cambios producidos en el atributo, se encuentren en el rango en que las dos curvas coinciden. Sin embargo, la utilización de un modelo de orden cero extrapolado a cambios en el atributo mayores, puede llevar a serios errores, si en la realidad la reacción fuera de primer orden. 4.3. EFECTO DE LA TEMPERATURA Las aproximaciones hechas hasta ahora para definir la cinética de la evolución de un atributo asumen que las condiciones ambientales son constan-

62 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 3.–Disminución de un atributo de calidad de un alimento siguiendo dos ordenes de reacción distintos.

tes. Sin embargo, un modelo cinético completo de pérdida de vida útil debe considerar no sólo el alimento sino también las condiciones ambientales en las que se desarrolla la experiencia. Por lo tanto, se deberán incluir como variables en el modelo cinético, aquellos factores ambientales que afecten fuertemente a las constantes de velocidad de reacción y que sean más susceptibles de sufrir variaciones durante la vida útil del alimento. Entre los factores ambientales que se han citado anteriormente: temperatura, humedad relativa, presión total y parcial de los diferentes gases, luz, etc. el que se incluye en los modelos matemáticos es la temperatura. Esto se justifica por el hecho de que la temperatura, además de afectar fuertemente a las constantes de velocidad de las reacciones, es el único factor que, la mayoría de las veces, le es impuesto externamente al alimento y no puede ser controlado por un envase apropiado. Si se representa la variación del valor del atributo con respecto al tiempo a distintas temperaturas, se obtendrán una serie de curvas como las de las gráficas 4 y 5, según que las reacciones de deterioro sean de orden cero o de primer orden. En ambos casos, la pendiente de las curvas se incrementa al aumentar la temperatura, por lo que tendremos que si T3 > T2 > T1 => k3 > k2 > k1 .

Alteración de los alimentos

63

Gráfica 4.–Influencia de la temperatura en una reacción de deterioro de orden cero.

La influencia de la temperatura sobre la constante de velocidad de la reacción se puede describir utilizando la ecuación desarrollada por Svante Arrhenius, para explicar la cinética de la inversión de la sacarosa en 1889:

[

k = k0 exp –

EA RT

]

[6]

donde: k0 = factor pre-exponencial (s–1) EA = energía de activación (kJ.mol–1) R = constante de los gases perfectos (kJ.mol–1.K–1 T = temperatura en la escala absoluta (K) Según esta ecuación, la reacción que se esté considerando se produce sólo cuando el calor ha conseguido la activación de las moléculas. La energía de activación se puede definir como la mínima energía que deben poseer las moléculas antes de que ocurra la reacción y el término exponencial es la fracción de moléculas que poseen esta energía mínima.

64 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 5.–Influencia de la temperatura en una reacción de deterioro de primer orden.

Si pasamos a la forma logarítmica:

1n k = 1n k0 –

EA 1 R T

[7]

Vemos que existe una relación lineal entre el logaritmo de la constante de velocidad y la inversa de la temperatura absoluta, como se aprecia en la gráfica 6. La ordenada en el origen de esta recta será el logaritmo del factor preexponencial y la pendiente será el cociente de la energía de activación y la constante de los gases perfectos. Con frecuencia en la literatura se emplea otro parámetro para describir la relación entre la temperatura y la constante de velocidad de reacción: el valor Q10 , que se define como: Q10 =

kT + 10 kT

[8]

Alteración de los alimentos

65

Gráfica 6.–Influencia de la temperatura sobre la constante de velocidad de la reacción de deterioro.

donde: kT = constante de velocidad de reacción a la temperatura T kT + 10 = constante de velocidad de reacción a la temperatura T + 10ºC Entre el valor Q10 y la energía de activación EA existe una relación, como se demuestra a continuación. De acuerdo con la ecuación [6], se puede escribir:

] =k e[ ] k =k e[ –

kT + 10

0

–

T

EA

R(T + 10)

EA

RT

0

por lo tanto –

EA

k0 e R(T + 10) KT + 10 Q10 = ——— = —————— =e E – kT k0 e RT A

EA RT

–

EA R(T + 10)

66 Procesos de conservación de alimentos

1n Q10 =

EA RT

–

EA R(T + 10)

1n Q10 =

EA R

[

=

(

EA R

1 1 – T T + 10

10 T(T + 10)

)

]

4.4. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS CINÉTICOS Para describir la influencia de la temperatura sobre las constantes de velocidad de reacción, tal como indica la expresión de Arrhenius, es necesario conocer los valores de los parámetros cinéticos tales como el factor pre-exponencial y la energía de activación. Son dos los procedimientos más empleados para determinar estos parámetros cinéticos: a) El método de la regresión lineal que implica representar el logaritmo de la constante de velocidad con respecto a la inversa de la temperatura (absoluta). Es necesario obtener constantes de velocidad de reacción al menos a tres temperaturas diferentes. La regresión lineal se utiliza para determinar la pendiente y la ordenada en el origen, obteniendo así valores para el factor pre-exponencial y la energía de activación de la ecuación anterior. b) El método de la regresión no lineal, utilizado para determinar la energía de activación directamente a partir de la concentración o nivel de un atributo de calidad. La expresión que describe el cambio de un atributo de calidad en una forma no lineal para una reacción de orden cero es:

( )

Qij = Q0 – k0tij exp –

EA

RTj

y para una reacción de primer orden la expresión es:

[

( )]

Qij = Q0 exp – k0tij exp –

EA

RTj

donde los subíndices i y j indican el tiempo y la temperatura de las correspon-

Alteración de los alimentos

67

dientes medidas del atributo de calidad. Labuza (1982) presentó una aproximación simple para determinar el efecto de la temperatura sobre la calidad del alimento. Su método es particularmente adecuado para situaciones en que los datos disponibles de la variable son escasos, por ejemplo en los casos en que los datos experimentales disponibles se refieren a los valores iniciales y finales de un determinado atributo de calidad en el transcurso de la vida útil. De acuerdo con las ecuaciones [4] y [5], para cualquier orden de reacción se puede escribir: k=

Ftu tu

donde el numerador es la función de calidad en el tiempo de vida útil, como se ha visto en la tabla 4, y el denominador es el valor de la vida útil. Aplicando logaritmos a ambos miembros de la ecuación: 1n k = 1n (Ftu) – 1n tu Sustituyendo ln k por su valor en la forma logarítmica de la ecuación de Arrhenius [7], tendremos: 1n k0 –

EA RT

= 1n (Ftu) – 1ntu

1n tu = 1n (Ftu) – 1nk0 +

EA

1

R

T

De acuerdo con esta última expresión, existe una relación lineal entre el logaritmo de la vida útil y la inversa de la temperatura absoluta, como puede verse en la gráfica 7. La pendiente de esta recta será el cociente de la energía de activación y la constante de los gases perfectos. Para un rango de temperatura pequeño, (menor de ± 20ºC), la vida útil (tu) se puede representar directamente contra la temperatura (T) sin cometer un error importante, como puede verse en la gráfica 8. t0 representa la vida útil a la temperatura de referencia, a es la pendiente de la recta y T es la diferencia de temperatura entre la de referencia y aquella a la que se quiere conocer la vida útil. Para una reacción de orden cero, la vida útil y la constante de velocidad de reacción son inversamente proporcionales, por lo que la ecuación [8] se podría

68 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 7.–Relación entre la vida útil y la inversa de la temperatura absoluta.

escribir: Q10 =

Vida útil a Tref (º C) t0 = Vida útil a T (º C) tu

cuando T = Tref + 10ºC Como hemos visto anteriormente: tu = t0 e

– a (T – Tref)

t0 a (T – T =e tu siendo t0 = vida útil a Tref (ºC) tu = vida útil a T (ºC) y en este caso: T – Tref = 10 ºC.

)

ref

[9]

Alteración de los alimentos

69

Gráfica 8.–Relación entre la vida útil y la temperatura.

Sustituyendo en [9]: Q10 = e10a

o

a=

1n Q10 10

Por lo tanto, si conocemos el valor Q10 de la reacción que se está considerando, se podrá calcular la pendiente de la recta y así establecer cual será la vida media a cualquier temperatura. Este sistema es interesante cuando se emplean tests de vida media acelerada, trabajando a temperaturas altas para que los tiempos de las experiencias sean más cortos. Una vez obtenidos los valores de vida media a temperaturas altas, se podrá conocer la vida media a cualquier temperatura.

5. APLICACIÓN DE LA CINÉTICA DEL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS EN LA PREDICCIÓN Y CONTROL DE LA VIDA ÚTIL Aunque la ecuación de Arrhenius presenta algunas limitaciones y posibles fuentes de desviación, puede ser utilizada para simular la degradación de los

70 Procesos de conservación de alimentos alimentos en un rango de temperaturas. Este modelo se puede emplear para predecir las constantes de velocidad de reacción y la vida útil de los alimentos a cualquier temperatura dentro de un rango. Los principios de evaluación de la vida útil y su tratamiento cuantitativo son necesarios para mejorar y desarrollar el almacenamiento y distribución de los alimentos, es decir, para la optimización de la cadena alimentaria. Evidentemente, para determinar la vida útil de un alimento, es esencial determinar qué factores limitan esta vida útil, tales factores pueden causar cambios químicos, físicos y biológicos que se traducen en un cambio en las características sensoriales del alimento. Si el factor limitante no se identifica correctamente, los estudios serán un fracaso. Además, como ya se ha indicado en el apartado anterior, las ecuaciones descritas son importantes para los tests de vida útil acelerada. Estos tests son útiles en el diseño y desarrollo de un nuevo producto o en la modificación de uno ya existente, puesto que permiten determinar la vida útil del mismo sin necesidad de esperar a que transcurra el tiempo necesario, que en algunos casos es muy largo. Los tests de vida útil acelerada implican el uso de altas temperaturas en las experiencias para conocer las pérdidas de calidad del alimento y su vida útil, y la extrapolación de los resultados a las condiciones normales de almacenamiento utilizando la ecuación de Arrhenius. De esta forma una experiencia que debía durar un año se puede completar en un mes. Otra aplicación de la cinética es el estudio de la dependencia del crecimiento microbiano de la temperatura, que está adquiriendo un desarrollo importante. Los principios cinéticos descritos se pueden aplicar a la modelización del desarrollo de los microorganismos, es lo que se llama microbiología predictiva. Para un rango de temperaturas por encima de la temperatura óptima de crecimiento, se utilizan dos ecuaciones simples: la de Arrhenius y la raíz cuadrada, que son suficientes, desde el punto de vista práctico, para modelizar dicha dependencia. El modelo de la raíz cuadrada tiene la forma:

兹苵k = b (T – Tmin) donde k es la velocidad de crecimiento, b es la pendiente de la línea de regresión de 兹苵 k con respecto a la temperatura y Tmín es la temperatura hipotética de crecimiento a la que la línea de regresión corta el eje T para 兹苵苵苵苵苵 k = 0. La relación entre Q10 y esta expresión es Q10 =

(

T – Tmin + 10 T – Tmin

)

2

Alteración de los alimentos

71

Tradicionalmente los modelos matemáticos que relacionan el número de microorganismos y la temperatura se han dividido en dos grupos: los que describen la propagación o el crecimiento a un rango bajo de temperaturas y los que describen la destrucción térmica, de estos últimos se tratará en el Capítulo IV, aquí solo se hará referencia a los primeros que tienen, entre otras, una aplicación importante: en el sistema de Análisis de Riesgos Identificación y Control de Puntos Críticos (A.P.P.C.C.). El sistema A.P.P.C.C. es una filosofía que se ha aplicado a la producción de alimentos, con el objetivo de asegurar la calidad y la seguridad de los mismos. Siete principios rigen la aplicación de este sistema: 1. Identificar y enumerar la lista de riesgos y especificar las medidas de control. 2. Identificar los Puntos Críticos. 3. Establecer los límites y las tolerancias para asegurar que cada Punto Crítico está bajo control. 4. Establecer un sistema de monitorización para asegurar el control del Punto Crítico. 5. Establecer la acción correctora a tomar cuando se aprecia que un Punto Crítico está fuera de control. 6. Establecer los registros necesarios. 7. Establecer el procedimiento de verificación. Estos Puntos Críticos pueden ser debidos a riesgos de naturaleza física, química o biológica, cuando se consideran los riesgos de naturaleza biológica, se requieren conocimientos específicos de los factores que afectan al crecimiento, supervivencia e inactivación de los microorganismos. Los modelos predictivos se pueden utilizar para indicar si existe un riesgo en un paso particular del proceso (principio 1). Para determinar si un paso del proceso es crítico (principio 2) también se puede obtener información por medio de modelos. Una vez que un paso del proceso se ha identificado como Punto Crítico, su control es esencial, los modelos predictivos pueden utilizarse para identificar el valor óptimo de la operación correcta en este paso y las tolerancias permitidas (principio 3). Así pues, la utilización de modelos pueden ayudar a la aplicación del Sistema A.P.P.C.C. en la fabricación de alimentos, para asegurar la calidad, ya que permite emplear información objetiva y sistemática para el desarrollo del proceso.

CAPÍTULO SEGUNDO

Métodos industriales de conservación de alimentos 1. FUNDAMENTOS DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Como se ha indicado anteriormente la causa principal del deterioro de los alimentos es el desarrollo y proliferación de microorganismos, que generalmente no se encuentran en el interior de los tejidos de las plantas y de los animales sanos, pero siempre están presentes y dispuestos a invadirlos si hay una rotura de la piel, o si ha sido debilitada por enfermedad o muerte. Así mismo, hasta el momento de la cosecha o del sacrificio las reacciones enzimáticas, producidas por las enzimas naturales de los alimentos, son controladas y equilibradas en la planta o en el animal que vive normalmente, pero a partir de ese momento dicho equilibrio se pierde. Si los alimentos deben conservarse sólo durante un corto periodo de tiempo, se dispone de dos posibilidades: • Mantener el alimento vivo el mayor tiempo posible. Un ejemplo de esta posibilidad es la conservación de las langostas vivas en los restaurantes. • Cuando no es posible mantener vivo el alimento, hay que cubrirlo y enfriarlo, con lo cual se retardan los factores de descomposición, pero sólo durante un tiempo muy breve. Para la conservación durante un periodo más largo que requieren la mayoría de nuestros alimentos, hacen falta otras precauciones, cuya finalidad es, generalmente, la inactivación o control de los microorganismos que, como ya se ha dicho, son la causa principal de la descomposición. El alimento, o sustrato, determina los microorganismos que pueden desarrollarse, si se conocen las características del alimento se puede predecir la

74 Procesos de conservación de alimentos flora microbiana que es posible que crezca en él. Para comprender los principios básicos que rigen tanto la alteración como la conservación de los alimentos, es necesario recordar algunos principios fundamentales del crecimiento de los microorganismos y conocer los factores que favorecen o inhiben su multiplicación. Cuando los microorganismos se encuentran en un ambiente óptimo para su desarrollo, se multiplican con tiempos de duplicación muy breves que, en la mayor parte de los casos, son del orden de pocos minutos. Se comprende pues, que, en estos casos, el número de microorganismos puede alcanzar al cabo de pocas horas valores numéricos extremadamente elevados, incluso del orden de varios millares (tabla 1). Tabla 1. Multiplicación de bacterias en leche (a temperatura ambiente) Horas de almacenamiento

0 24 48 72 96

Cuenta bacteriana por ml

137.000 24.674.000 639.885.000 2.407.083.000 5.346.667.000

La reproducción microbiana no se produce de forma indefinida, una vez se alcanza un limite determinado, como puede ser el agotamiento de los factores nutritivos disponibles, la mortalidad supera al número de células que se reproducen, por lo que se aprecia una reducción de las mismas. La curva de crecimiento de un cultivo microbiano se puede subdividir en varias fases, como se puede apreciar en la gráfica 1: • Fase lag: en esta fase el número de microorganismos permanece constante, o incluso puede disminuir, como consecuencia de la adaptación de los microorganismos al medio. Corresponde al tramo AB de la curva. • Fase estacionaria de crecimiento: una vez superada la fase anterior, de adaptación de los microorganismos al medio, comienzan su multiplicación lentamente, con tiempos de duplicación notablemente largos. Corresponde al tramo BC de la curva. • Fase logarítmica: en este periodo los microorganismos se multiplican activamente y su número aumenta en progresión geométrica. Los tiempos de duplicación son muy breves. Corresponde al tramo CD de la curva. • Fase de crecimiento negativo: el número de microorganismos continúa aumentando pero con un ritmo mucho menor, los tiempos de duplicación son más largos. es el tramo DE de la curva. • Fase estacionaria: en esta fase se establece un equilibrio entre la reproducción y la muerte de los microorganismos, por lo que su número per-

Métodos industriales de conservación de alimentos

75

Gráfica 1.–Curva de crecimiento microbiano.

manece prácticamente constante. Corresponde esta fase al tramo EF de la curva. • Fase de muerte acelerada: el número de gérmenes que mueren supera al de los que se reproducen, en consecuencia disminuye el número de microorganismos. Corresponde al tramo FG. • Fase de muerte o fase de declive: durante la cual el número de células que mueren es mayor que el de las que se forman. Tramo GH de la curva. • Fase de supervivencia: durante el cual no existe división celular, las células que sobreviven lo hacen a expensas de nutrientes endógenos. A partir de la curva de crecimiento se puede calcular el tiempo de generación de los microorganismos, es decir, el tiempo que transcurre entre la formación de una célula hija y su división para dar dos nuevas células. Para calcular los tiempos de duplicación de los diferentes microorganismos es suficiente con establecer el número de duplicaciones que se producen durante un intervalo de tiempo determinado, es lógico que los tiempos de duplicación que interesan fundamentalmente son los que tienen lugar durante la fase logarítmica. El número de generaciones se calcula con la ecuación siguiente:

76 Procesos de conservación de alimentos n=

log a – log b log 2

donde: n = número de generaciones log a= logaritmo del número de microorganismos al final de la fase logarítmica log b = logaritmo del número de microorganismos al inicio de la fase logarítmica de aquí: log 2 G= t log a – log b donde t = tiempo. El tiempo de generación más corto se da en la fase de crecimiento logarítmico, y su duración dependerá de las condiciones existentes en el medio mientras se están multiplicando los microorganismos, es decir, del tipo de alimento, de su pH, de la temperatura, del potencial de oxido-reducción, de la humedad disponible, etc.

2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DESARROLLO MICROBIANO A continuación se exponen los diferentes factores que condicionan, de forma favorable o desfavorable, a la causa biológica más importante de la degradación de los alimentos: los microorganismos. Los principales factores de la composición de todo alimento que influyen en la actividad microbiana son: el pH, la humedad, el potencial de oxidoreducción y la presencia de sustancias inhibidoras, a los que hay que añadir la temperatura a la que se encuentre el alimento. 2.1. INCIDENCIA DEL PH La acción del pH sobre el crecimiento de los microorganismos tiene lugar a tres niveles: el medio, puesto que la disponibilidad de ciertos nutrientes en el medio de cultivo sufre modificaciones en función del equilibrio iónico, la permeabilidad de la membrana, que se ve afectada por las variaciones en la concentración de iones H+ y OH– y la actividad metabólica, las reacciones enzimáticas presentan un óptimo de actividad por encima o por debajo del cual su cinética sufre cambios, por lo tanto toda variación del pH citoplasmático implica una disminución de la actividad enzimática y, en consecuencia, del crecimiento del microorganismo.

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Cada microorganismo tiene por tanto un pH mínimo, un pH óptimo y un pH máximo de crecimiento. En la tabla 2 se indican los rangos de pH y los valores óptimos para el crecimiento de algunos microorganismos. En general, las levaduras y los mohos toleran mejor la acidez que las bacterias. Dentro de las bacterias patógenas, los microorganismos de los géneros Vibrio y Clostridium son más sensibles a variaciones de pH que la mayor parte de las demás bacterias, mientras que Escherichia coli, Salmonella y Staphylococcus aureus son las más resistentes, este último aunque resiste un pH de 4,2 sufre una fuerte reducción de su crecimiento. El pH más bajo al que es capaz de crecer Clostridium botulinum es 4,8 para los tipos A y B y de 5,7 para el E, el más bajo para que pueda producirse toxina es también de 4,8.

Tabla 2. Límites de pH para el crecimiento de algunos microorganismos (Jay, 1986)

Mohos Levaduras Bacterias Bacterias acéticas Bacterias lácticas L. plantarum Leu. cremoris S. lactis L. acidophilus Pseudomonas P. aeruginosa Enterobacterias S. typhi E. coli Staphylococcus Clostridium Cl. botulinum Cl. perfringens Cl. sporogenes Bacillus

Mínimo

Óptimo

Máximo

1,5-3,5 1,5-3,5 4,5 4,0 3,2 3,5 5,0 4,1-4,8 4,0-4,6 5,6 4,4-4,5 5,6 4,0-4,5 4,3 4,2 4,6-5,0 4,8 5,5 5,0-5,8 5,0-6,0

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

8,0-11,0 8,0-8,5 11,0 9,2 10,5 8,0 6,5 9,2 7,0 8,0 8,0-9,0 9,0 8,0-9,6 9,0 9,3 9,0 8,2 8,5 8,5-9,0 9,4-10,0

6,0-7,6 6,0-7,6 6,8-7,5

Los alimentos cuyo pH es bajo (valores inferiores a 4,5) no son alterados fácilmente por las bacterias, siendo más sensibles a la alteración por levaduras y mohos. El pH de los alimentos depende no sólo de la cantidad de sustancias ácidas y básicas que contenga, sino también de la capacidad tampón del producto, que generalmente está asociada a la concentración de proteínas, por esta razón, en las frutas y hortalizas la adición de sustancias ácidas, de origen

78 Procesos de conservación de alimentos fermentativo o no, produce variaciones importantes de pH, debido a su baja capacidad tampón. En la tabla 3 se recoge el pH de los principales alimentos. El pH del músculo se encuentra próximo a la neutralidad, la paralización de la circulación sanguínea y el consumo del oxígeno residual hacen que se produzca una fermentación láctica del glucógeno por enzimas endógenas, con lo cual se produce una bajada de pH, variable según las especies, los músculos y las cantidades de glucógeno presentes, que a su vez están en función del estado de reposo, del estrés y del estado de salud del animal. Tabla 3. pH aproximado de algunos alimentos Alimentos

Carne de vacuno Carne de cerdo Carne de pollo Pescado Salmón Sardinas Camarones Atún Leche Mantequilla Queso parmesano Queso Roquefort Pan Ostras Pato

pH

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

Alimentos

Zanahorias Patatas Cebollas Tomates Guisantes Pimientos Piña Espinacas Manzanas Naranjas Judías verdes Champiñones Melocotones Uvas Limones

pH

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

El pH del pescado, en general, es más alto que el de la carne, lo cual se debe, en parte, al agotamiento de reservas durante la captura. Existen diferencias importantes en el pH final según el tipo de pescado, la pescadilla por ejemplo tiene el pH más alto que el del rodaballo, este último tiene el pH más bajo que se conoce y evidentemente presenta un mayor poder de conservación. El pH de los crustáceos es, por lo general, más elevado que el de los pescados, de 6,8 a 7,4 en el centollo y de 7,1 a 8,2 en las gambas. La clara de los huevos presenta un pH alcalino (7,6) pero puede llegar hasta 9 cuando los huevos se almacenan al aire, debido a las pérdidas de CO2, lo cual limita el crecimiento de microorganismos, la yema tiene un pH menor: de 6 a 6,3. Las frutas en general, como se aprecia en la tabla 3, presentan un pH muy bajo en comparación con otros alimentos, razón por la cual sus alteraciones se deben a mohos principalmente. Las hortalizas presentan un pH algo más alto, lo que permite ya el desarrollo bacteriano.

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2.2. NECESIDADES DE AGUA Los microorganismos necesitan agua para su crecimiento, que utilizan de dos formas, como solvente de nutrientes para permitir su transporte y disponibilidad en el citoplasma, y como agente químico que interviene en las reacciones hidrolíticas que dan lugar a monómeros, necesarios para la síntesis microbiana, y para las reacciones energéticas. La “actividad de agua” (aw) indica la disponibilidad de agua, de un medio determinado, para las reacciones químicas, bioquímicas y para las transferencias a través de membranas semipermeables. Su valor oscila entre 0 y 1. Se define como la relación entre la presión de vapor del agua en la disolución (p) y la presión de vapor del agua pura (p0) a la misma temperatura:

aw =

p p0

La humedad relativa (HR) del ambiente, en un medio cerrado, está relacionada con la aw de un producto: aw = HR/100. Toda disminución de la aw afecta al crecimiento bacteriano, la mayor parte de las bacterias presentan un crecimiento óptimo alrededor de 0,990-0,995. En alimentos con aw baja (0,61-0,85) las alteraciones microbianas más frecuentes son producidas por mohos. En la tabla 4 se indican los valores mínimos necesarios de aw para el crecimiento de diversos microorganismos. La disminución de la actividad de agua lleva consigo un fenómeno de plasmólisis de la célula, Staphylococcus aureus por ejemplo, pierde un 50 % de su agua intracelular cuando la aw pasa de 0,995 a 0,950, esto disminuye o paraliza el crecimiento de los microorganismos como consecuencia de la inhibición de las actividades enzimáticas. Existen algunos factores que influyen sobre las necesidades de aw de los microorganismos: • El tipo de soluto utilizado para reducir la aw, para algunos microorganismos, sobre todo los mohos, la actividad aw mínima de crecimiento es prácticamente independiente del tipo de soluto utilizado. Otros microorganismos en cambio tienen valores de aw limitantes del crecimiento según el soluto utilizado. El cloruro potásico, por ejemplo, suele ser menos tóxico que el cloruro sódico y éste tiene, a su vez, menor poder inhibidor que el sulfato sódico. • En general, cuanto más apropiado sea el medio de cultivo para el desarrollo de los microorganismos, tanto menor es el valor de la aw limitante. • A temperaturas próximas a la temperatura óptima de crecimiento, la mayoría de los microorganismos tienen una tolerancia máxima a los valores bajos de la aw.

80 Procesos de conservación de alimentos • Cuando en el medio existe aire, la multiplicación de los microorganismos aerobios se produce a valores más bajos de aw que cuando no existe aire, cuando se trata de microorganismos anaerobios ocurre, lógicamente, lo contrario. • A valores de pH próximos a la neutralidad, la mayoría de los microorganismos son más tolerantes a aw baja que cuando se encuentran en medios ácidos o básicos. • La presencia de sustancias inhibidoras reduce el intervalo de valores de aw que permite la multiplicación de los microorganismos.

Tabla 4. Valores mínimos de aw para el crecimiento de algunos microorganismos (Bourgeois, 1996) BACTERIAS Acinetobacter C. botulinum E. C. perfringens P. fluorescens E. coli Salmonella sp. C. botulinum A, B B. subtilus S. aureus Bacterias halófilas

> 0,910 0,990 0,979 0,970 0,970 0,957 0,950 0,950 0,900 0,860 0,750

LEVADURAS S. cerevisiae Rhodotorula Levaduras osmofílicas

> 0,87 0,90-0,94 0,90 0,62

MOHOS Botrytis cinerea Fusarium Mucor A. clavatus P. expansum A. flavus Mohos xerófilos

> 0,70 0,93 0,90 0,80-0,90 0,85 0,85 0,78 0,70

En los alimentos una aw inferior a 0,7 se considera el límite inferior que presenta todas las garantías de estabilidad, sin embargo 0,91 es una cifra que sólo indica que por debajo de ella los microorganismos están fuertemente frenados; este es el límite propuesto por la directiva comunitaria de 1977 para la conservación de los alimentos a temperatura ambiente, este límite puede elevarse incluso a 0,95 con la condición de que vaya acompañado por un pH igual o inferior a 5,2. La mayoría de los productos frescos, como las frutas, hortalizas, carne, leche y pescados tienen una aw de 0,970 a 0,996. En la tabla 5 se indican los valores medios de los principales productos frescos. Todos estos productos son por tanto favorables para el crecimiento bacteriano, salvo las frutas en las que se desarrolla una flora fúngica, debido a los valores bajos de pH y a que la aw es algo más baja que en los demás productos frescos, por su contenido en azúcares solubles.

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Tabla 5. Valores aproximados de aw de algunos alimentos (Bourgeois, 1996) Alimento

Carne de vacuno Carne de cerdo Pescado Productos de charcutería Leche Alcachofas Zanahorias Pepinos Setas Patatas

aw

0,990-0,980 0,990 0,994-0,990 0,950-0,850 0,995 0,987-0,976 0,989-0,983 0,998-0,992 0,995-0,989 0,985

Alimento

Tomates Manzanas Cerezas Uvas Limones Melones Naranjas Melocotones Confituras Cereales

aw

0,991 0,980 0,977 0,986-0,963 0,984 0,991-0,988 0,988 0,985 0,800-0,750 0,700

2.3. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN El potencial de óxido-reducción, o poder oxidante y reductor, del propio alimento, influye en el tipo de microorganismo que se desarrollará en él y, por lo tanto, en las modificaciones que se producirán. En función de sus exigencias en oxígeno y/o en su toxicidad, los microorganismos se clasifican en: • aerobios estrictos (Pseudomonas, Micrococcus, Bacillus) cuando necesitan oxígeno libre, es decir necesitan oxígeno como aceptor final de electrones, no tienen la posibilidad de utilizar una vía fermentativa. • anaerobios estrictos (Clostridium, Bacteroides, Peptococcus, Prionibacterium, etc.) cuando crecen mejor en ausencia de oxígeno libre, presentan obligatoriamente un metabolismo fermentativo. • aerobios facultativos (Enterobacterias, Staphylococcus), que pueden desarrollarse en presencia o ausencia de oxígeno. La disminución del contenido de oxígeno en la atmósfera tiene como consecuencia la ralentización de la respiración. El efecto sobre la actividad respiratoria es particularmente marcado por debajo de 8 a 10% de oxígeno (gráfica 2), una hipoxia excesiva implica evidentemente un metabolismo fermentario. La disminución de la concentración de oxígeno aumenta por tanto la vida útil de los productos, siempre que se elija convenientemente. 2.4. SUSTANCIAS INHIBIDORAS Son moléculas que poseen un poder bacteriostático y/o bactericida, algunas pueden ser específicamente inhibidoras de mohos. Existe una amplia gama de sustancias, que desarrollan una acción inhibidora, tanto por su composición química como por los mecanismos de actuación. Se encuentran en estado natural en los tejidos animales y vegetales y se pueden producir también por fer-

82 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 2.–Variación de la intensidad respiratoria de un órgano vegetal en función del contenido de oxígeno en la atmósfera (IRx: intensidad respiratoria en la atmósfera considerada (x % de oxígeno); IRaire : intensidad respiratoria en el aire).

mentación. Pueden ser, además, añadidas por el hombre para la conservación de los alimentos. 2.5. TEMPERATURA Es uno de los factores más importantes por su influencia en el crecimiento de los microorganismos, determina el estado físico del agua en un determinado medio y, por tanto, su mayor o menor disponibilidad para el crecimiento de los microorganismos, la temperatura actúa, además, sobre la velocidad de las reacciones químicas y bioquímicas. Los microorganismos se clasifican en tres grandes grupos en función de la temperatura: • psicrótrofos y psicrófilos: Los psicrófilos son gérmenes adaptados al frío, se desarrollan a 0ºC con un óptimo de crecimiento comprendido entre 15 y 20ºC. Los psicrótrofos son capaces de adaptarse y desarrollarse a temperaturas próximas a 0ºC, pero tienen un óptimo de crecimiento entre 25 y 35ºC, lo que les aproxima a los mesofilos. Su metabolismo es lento y son poco competitivos con otros cuando aumenta la temperatura. Esta característica velocidad de crecimiento lenta hace que

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la invasión de los alimentos dure de una a tres semanas, con un tiempo de generación del orden de 24 horas a 0 ºC. Los psicrótrofos son los microorganismos dominantes en todos los alimentos refrigerados. Incluyen numerosas especies, cuyos principales géneros son: Pseudomonas, Erwinia, Corynebacterium, Lactobacillus, etc. La mayor parte de las levaduras y de los mohos son psicrótrofos. Estos microorganismos raramente son patógenos. • mesofilos: se multiplican a temperaturas entre +20 y +45ºC, con un óptimo decrecimiento a 37ºC, sus tasas de crecimiento son elevadas y la duración de su proliferación por tanto, es relativamente corta. Las principales especies de bacterias se incluyen en este grupo. Se pueden encontrar en alimentos almacenados a temperatura ambiente o en alimentos refrigerados cuando se ha roto la cadena del frío. • termófilos: son capaces de desarrollarse a temperaturas elevadas, entre 45 y 65ºC, con un óptimo a 55ºC. Presentan una tasa de crecimiento muy elevada pero con una duración corta. Pueden encontrarse en el agua, aire y suelo. En este grupo se incluyen sobre todo los géneros de Bacillus y Clostridium y los mohos Aspergillus, Cladosporium y Thamnidium. El descenso de la temperatura tiene como efecto esencial la reducción global de la actividad metabólica de los órganos vegetales y animales. Este efecto del frío se traduce en una menor degradación de las reservas y en una menor producción de calor, por lo tanto aumentará la longevidad de los productos. En la gráfica 3 se muestra que la duración teórica de la conservación se incrementa mucho con la disminución de la temperatura, se trata de una curva teórica pues sólo es válida para productos no sensibles al frío.

3. PROCEDIMIENTOS UTILIZADOS EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS En la conservación de los alimentos, tiene una gran importancia el prolongar cuanto sea posible las dos primeras fases que se han descrito anteriormente del crecimiento microbiano: la fase lag y la fase estacionaria de crecimiento (gráfica 1), es decir los tramos AB y BC. Esto se puede conseguir de diferentes formas: 1. Aportando el menor número posible de microorganismos, es decir, reduciendo el grado de contaminación; cuanto menor es el número de microorganismos, tanto más se prolonga la fase lag. 2. Evitando la incorporación de microorganismos en fase de crecimiento activo (es decir procedentes de la fase de crecimiento logarítmico). Estos microorganismos pueden estar creciendo en los equipos, recipientes, utensilios, etc. que entran en contacto con los alimentos.

84 Procesos de conservación de alimentos 3. Por medio de uno o más factores adversos del medio: nutrientes, humedad, temperatura y potencial óxido-reducción adversos, o existencia de sustancias inhibidoras. Cuanto más adversas sean las condiciones del medio, tanto más se retardará la iniciación de la multiplicación microbiana. 4. Por medio de daño real a los microorganismos con distintos sistemas de tratamiento, como por ejemplo los tratamientos térmicos.

Gráfica 3.–Variación de la duración de la conservación de un producto en función de la temperatura.

La descomposición microbiana de los alimentos se evitará si se destruyen, o se eliminan, todos los microorganismos que producen alteraciones y se evita que se vuelvan a contaminar. Ahora bien, como se ha visto en el Capítulo anterior, los microorganismos son la principal causa del deterioro de los alimentos pero no la única, por lo tanto el hecho de detener la multiplicación de los microorganismos no necesariamente evita su descomposición. Algunos de los procedimientos utilizados para regular la actividad de los microorganismos son eficaces también tanto frente a la actividad enzimática existente en el alimento como frente a las reacciones químicas. Pero otros procedimientos como la desecación o el empleo de temperaturas bajas, permiten que continúe

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la descomposición natural del alimento si no se adoptan precauciones especiales, la mayoría de las hortalizas, por ejemplo, se escaldan antes de la congelación con el fin de inactivar las enzimas, lo mismo ocurre en el caso de la deshidratación. Por lo tanto en los procedimientos de conservación de los alimentos se deberá: • Prevenir o retrasar la actividad microbiana • Prevenir o retardar la descomposición de los alimentos: destruyendo o inactivando sus enzimas, por ejemplo por medio del escaldado y previniendo o retardando las reacciones puramente químicas, por ejemplo, impidiendo la oxidación utilizando un antioxidante. • Prevenir las lesiones debidas a insectos, roedores, causas mecánicas, etcétera. Los procedimientos utilizados para la conservación de alimentos se dirigen fundamentalmente al control de los microorganismos, por lo tanto se basan en la intervención sobre los factores que afectan a su actividad, y que se acaban de describir: pH, necesidad de agua, potencial de óxido-reducción, sustancias inhibidoras y temperatura. Pero en todos los casos hay que tener en cuenta que cuando en el alimento existe un número inicial de microorganismos reducido, su conservación por cualquiera de los procedimientos que a continuación se indican, es más fácil que cuando su número inicial es elevado, de ahí la importancia que, en la conservación de los alimentos, presenta la reducción de la contaminación y la aplicación de buenas prácticas de fabricación; la implantación del sistema Análisis de Peligros y Puntos Críticos de Control (A.P.P.C.C.), al que se hizo referencia en el Capítulo anterior, contribuye de forma importante al control de los microorganismos. 3.1. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA DISMINUCIÓN DEL pH Algunos procedimientos de conservación de alimentos se basan en la intervención sobre el pH del medio. Anteriormente se ha tratado la sensibilidad de los diferentes microorganismos a pH bajos, a la acidez. En los métodos industriales de conservación esta reducción del pH se puede conseguir de dos formas: por adición de ácido al alimento (acidificación artificial) o por acidificación natural (fermentación láctica, por ejemplo), unos microorganismos son mucho más sensibles que otros y el ácido producido por un tipo de microorganismo durante la fermentación inhibe la proliferación de otro tipo, este es uno de los principios en que se basa la fermentación bajo control como medio de conservación de los alimentos, ejemplos de este tipo de conservación son el yogur, los encurtidos, etc.

86 Procesos de conservación de alimentos 3.2. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA REDUCCIÓN DEL AGUA DISPONIBLE Los microorganismos necesitan agua para su desarrollo, como se ha visto anteriormente, así pues si se elimina agua del alimento se detendrá su multiplicación. Los alimentos con mayor humedad son más perecederos, tienen menos vida útil, por ejemplo un queso fresco se conserva menos tiempo que un queso curado, de menor humedad. Varios métodos de conservación de alimentos que se aplican industrialmente se basan en este principio, la reducción del agua disponible para los microorganismos. Según la cantidad de agua residual disponible y la forma de disminución de la disponibilidad de la misma tendremos diferentes métodos de conservación. La reducción del agua disponible se puede conseguir por medios físicos: deshidratación y concentración por evaporación, por ejemplo, leche en polvo y zumos concentrados, respectivamente, o por medios químicos, adición de solutos, por ejemplo azúcar o sal, como se ha dicho, los microorganismos poseen agua en el interior de sus células, por lo tanto si se introducen en un almíbar o en una salmuera, el agua de sus células tiende a salir a través de su membrana, por un proceso de ósmosis, tendiendo a igualar la concentración interior y exterior de la célula, causando así una deshidratación parcial de la misma, que obstaculiza su multiplicación. Se tiene así otros métodos industriales de conservación: con adición de azúcar o con adición de sal, ejemplos de estos tipos de conservación son frutas en almíbar, mermeladas, leche condensada, etc. y salazones, respectivamente. 3.3. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA VARIACIÓN DEL POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN Algunos microorganismos, como se ha dicho, necesitan aire, oxígeno, para su desarrollo, por lo tanto una forma de conservar los alimentos, preservándolos del desarrollo de este tipo de microorganismos, será ponerlos fuera del contacto del aire, por ejemplo envasándolos en atmósferas pobres en oxígeno, lo cual se consigue por medios físicos y da lugar a otros métodos industriales de conservación: vacío, gases inertes y atmósferas controladas. 3.4. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA UTILIZACIÓN DE SUSTANCIAS INHIBIDORAS La presencia de sustancias inhibidoras también afecta evidentemente al desarrollo de los microorganismos, por lo tanto también existen métodos de conservación basados en este principio: utilización de conservantes o de antisépticos, como el alcohol. O el caso del ahumado, que se basa en el hecho de que el humo contiene sustancias químicas inhibidoras procedentes de la quema de la madera, que acompañado del calor desprendido contribuyen a la conservación de los ali-

Métodos industriales de conservación de alimentos

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mentos. Este procedimiento se ha aplicado a carnes y pescados fundamentalmente. Hoy día en muchos casos se ahuma el alimento sólo para darle sabor, sin el calor de la combustión, con lo cual contribuye poco a la conservación. 3.5. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA UTILIZACIÓN DE CALOR O FRÍO También se han descrito los rangos de temperatura óptimos para los diferentes tipos de microorganismos, así como las temperaturas necesarias para su destrucción o inactivación. Basándose en estos principios se han desarrollado a su vez métodos industriales de conservación de alimentos, unos por medio de la utilización de altas temperaturas y otros por el uso de temperaturas bajas. Los métodos industriales basados en la aplicación de calor son: pasteurización y esterilización, la diferencia principal entre ellos es la intensidad del tratamiento y lógicamente la vida útil del producto final. Los métodos basados en la aplicación de frío: son refrigeración y congelación, que también difieren en la intensidad del tratamiento y en la vida útil posterior. 3.6. PROCEDIMIENTOS BASADOS EN LA APLICACIÓN DE VARIOS PRINCIPIOS Existe la posibilidad de utilizar métodos de conservación basados en más de uno de los principios citados, con lo cual se mejorarán las posibilidades de conservación incrementando la vida útil, o bien se podrá reducir la intensidad del tratamiento, permitiendo mantener las cualidades organolépticas del producto. Por ejemplo, la presencia de ácido en los alimentos acentúa el efecto del calor sobre los microorganismos, por esta razón en los alimentos de pH bajo, o que se hayan acidificado, o en los que se haya producido una fermentación láctica, normalmente se emplean tratamientos de pasteurización. A los productos concentrados por evaporación se aplica después también una pasteurización. O bien el caso de la leche condensada, conservada por la adición de azúcar se realiza también una concentración por evaporación. La utilización de atmósferas controladas, lleva consigo el mantenimiento del producto en refrigeración. Los productos pasteurizados, a su vez, requieren también de una refrigeración.

4. MÉTODOS INDUSTRIALES DE CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS En la tabla 6 se incluye la clasificación de los principales métodos industriales de conservación de alimentos según su efecto sobre los microorganismos.

88 Procesos de conservación de alimentos Tabla 6. Clasificación de los métodos de conservación de alimentos según su efecto sobre los microorganismos Acción sobre los microorganismos

DESTRUCCIÓN

Forma de actuación

Método de conservación de alimentos

Por acción del calor

Pasteurización Esterilización

Por radiaciones ionizantes

Irradiación

Por acción de antisépticos

Alcohol Ácidos Conservadores químicos

EFECTO BARRERA

ELIMINACIÓN

Por acción mecánica

Altas presiones

Por acción mixta: calormecánica

Cocción-extrusión

Por utilización de bajas temperaturas

Refrigeración Congelación

Por utilización de atmósferas pobres en O2

Vacío Gases inertes Atmósferas controladas

Por reducción del contenido de agua

Deshidratación Liofilización Concentración

Protección por incorporación y recubrimiento con inhibidores

Salazón Inmersión en salmuera Recubrimientos con materias grasas (confits...) Recubrimientos con azúcar (frutas) escarchadas) Inmersión en ácidos (vinagre) Fermentación (autoinhibición)

Por separación física

Filtración esterilizante Ultrafiltración

Bibliografía de la Parte Primera

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PARTE II

MÉTODOS BIOLÓGICOS DE CONSERVACIÓN

CAPÍTULO TERCERO

Conservación por fermentación 1. INTRODUCCIÓN En términos generales, la fermentación implica el uso de microorganismos para realizar transformaciones de materia orgánica, catalizadas por enzimas. La fermentación ha sido considerada durante muchos siglos como un arte, la elaboración de vino se practica desde hace al menos 10.000 años, los historiadores indican que los egipcios producían cerveza 5.000-6.000 años a.C. y también existen referencias de elaboración de queso 5.000 años a.C. En resumen, la producción de alimentos y bebidas que utiliza fermentación se viene realizando desde hace aproximadamente 10.000 años antes de que se conociera la existencia de los microorganismos. La industria moderna de alimentos fermentados se ha desarrollado a partir de los procesos tradicionales de fermentación, pero el procedimiento en sí mismo ha continuado desarrollándose tecnológicamente. Procesos tales como fabricación de pan, de quesos, cerveza y destilados se han desarrollado para implantar requerimientos comerciales de producciones a gran escala, de calidad elevada y constante, de costes competitivos y variedad de productos. Así, la fermentación de la masa de pan se ha acelerado por el uso de elevadas proporciones de levaduras a altas temperaturas, la utilización de amilasas microbianas que liberan azúcares fermentables de los granos de almidón proporciona azúcares para la fermentación de las levaduras y la producción de CO2 que hace subir la masa y da al pan su característica textura. El uso de cultivos starters para la elaboración de queso es uno de los factores que han contribuido al desarrollo de una amplia variedad de productos de alta calidad. Lo mismo puede decirse de los embutidos crudos curados. En las industrias de cerveza, vino y bebidas alcohólicas, se han producido muchos cambios desde los tiempos de Pasteur, la utilización de levaduras seleccionadas, control de la temperatura de fermentación, etc.

94 Procesos de conservación de alimentos En una parte importante de los métodos utilizados para la conservación de alimentos, el objetivo es inhibir el desarrollo de los microorganismos que pueden causar su deterioro, pero también existe la posibilidad de utilizar algunos microorganismos para conseguir esa conservación, creando condiciones desfavorables para el desarrollo de otros microorganismos, así por ejemplo la producción de cantidades substanciales de alcohol o de ácido por ciertos organismos crea unas condiciones desfavorables para el desarrollo de otros. En este principio se basan los métodos de conservación de alimentos por fermentación. La conservación de alimentos por medio de procesos fermentativos, en sus orígenes se aplicaba como consecuencia de la contaminación accidental de las distintas materias primas por la microflora ambiente llamada útil; pero hoy en día, gracias a la individualización de los microorganismos responsables del proceso fermentativo y al estudio de las condiciones óptimas de fermentación, es cuando este método de conservación ha tenido más desarrollo. Actualmente, con el cultivo de estos microorganismos en laboratorio y la incorporación de estos cultivos (cultivos starter) a los productos a someter a fermentación, es posible reducir las pérdidas debidas a fermentaciones anómalas, además de obtener productos terminados estandarizados en sus características organolépticas. Los procesos fermentativos se utilizan actualmente no sólo para la conservación de los alimentos en el estricto sentido del término, sino también para conferirles un mejor aroma y una mayor digestibilidad. El proceso fermentativo, en la mayor parte de los casos, permite la prolongación de la vida útil no tanto del alimento tal cual, sino de sus principios nutritivos, dando así origen a un producto cuyo estado físico se ha modificado para presentar características organolépticas propias y típicas. Un alimento se considera fermentado cuando uno o más de sus componentes químicos son atacados por microorganismos, considerados útiles, por lo que su composición química resulta modificada. Además de los microorganismos, pueden intervenir en estos procesos fermentativos, también procesos proteolíticos debidos a la acción de enzimas propias del producto alimentario de partida. En algunos casos, además, el proceso fermentativo es realizado por microorganismos distintos, uno de los cuales actúa después de que el otro haya modificado la materia prima de partida, como es el caso de los quesos azules, en los cuales el desarrollo del moho, tiene lugar después de que las bacterias lácticas hayan realizado la fermentación de la lactosa. Por último, hay que señalar que el proceso fermentativo de un producto alimentario dado, puede hacerlo utilizable también para individuos que no toleran la presencia en ellos de ciertos compuestos químicos. Es el caso, por ejemplo, de las personas intolerantes a la lactosa, las cuales, según su estado patológico, pueden tranquilamente tomar leches fermentadas, aunque con ellas ingieran cantidades de lactosa superiores o al menos iguales a las de la leche. La explicación de este fenómeno reside en el hecho de que los cultivos microbianos utili-

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zados como starters continúan su acción demoledora de la lactosa, también a nivel intestinal, acción que está potenciada por la presencia de la misma enzima que se libera como consecuencia de la lísis de una parte de los microorganismos. Muchos de estos productos fermentados se consideran como verdaderos alimentos dietéticos, por su efecto benéfico a nivel intestinal, regulando la flora.

2. MICROORGANISMOS DE IMPORTANCIA INDUSTRIAL PARA LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS Los microorganismos útiles para el proceso de fermentación deben presentar tres características especiales: • Deben ser capaces de desarrollarse rápidamente en un sustrato y ambiente adecuados, y ser fácilmente cultivados en grandes cantidades. • Deben tener la capacidad de mantener constancia fisiológica bajo las condiciones citadas, y producir fácil y abundantemente las enzimas esenciales para que se puedan dar los deseados cambios químicos. • Las condiciones ambientales requeridas para el máximo desarrollo y producción deben ser comparativamente simples. Los microorganismos utilizados en las fermentaciones deben producir grandes cantidades de enzimas, que son las sustancias reactivas que controlan, como se ha dicho, las reacciones químicas en la fermentación. Los microorganismos que presentan interés en la industria alimentaria, son también de tres tipos: levaduras, bacterias y mohos, pero en este caso tienen en común el carácter de ser útiles. 2.1. LEVADURAS Las levaduras pertenecen a tres clases de hongos: ascomicetos, basidiomicetos y deuteromicetos, ésta última incluye las formas imperfectas de las levaduras, que tienen afinidades con los ascomicetos y basidiomicetos. La temperatura normal de cultivo de las levaduras se sitúa entre 25 y 30ºC, que permite efectivamente el crecimiento de la mayor parte de las mismas, pero éstas no son las temperaturas óptimas de crecimiento que las levaduras encuentran en sus hábitats naturales. Su velocidad de crecimiento disminuye progresivamente para valores de aw inferiores a 0,99. Aunque el efecto de la presión osmótica varía de una cepa a otra, la mayor parte de las cepas no pueden desarrollarse para actividades de agua inferiores a 0,90, pero algunas toleran presiones osmóticas mayores, correspondientes a una aw del orden de 0,60, pero con un metabolismo lento. Todas las levaduras son capaces de desarrollarse en presencia de oxígeno: no hay levaduras anaerobias estrictas. Algunas son aerobias estrictas, particu-

96 Procesos de conservación de alimentos larmente las levaduras de los géneros: Rhodotorula, Rhodosporidium, Lipomyces, Saccharomycopsis, Cryptococcus y Sporobolomyces, más algunas especies de los géneros Hansenula, Pichia, Torulopsis y Debaryomices. Las otras levaduras son aero-anaerobias facultativas y entre ellas hay: • levaduras que prefieren un metabolismo fermentativo incluso en presencia de oxígeno. Después de una fase inicial de desarrollo y proliferación celular, pasan a utilizar la glucosa con producción de alcohol etílico y CO2; respiración seguida de fermentación. A este tipo pertenecen Saccharomyces, Schizosaccharomyces y Brettanomyces, más algunas especies de Torulopsis. • levaduras que prefieren un metabolismo respiratorio si hay oxígeno. Pueden utilizar también sustratos ya fermentados, dado que además pueden tolerar muy bien discretas cantidades de alcohol, pueden también transformarlo posteriormente hasta CO2. Pertenecen a este grupo Candida, Kluyveromyces, la mayor parte de Pichia y Hansenula y algunas Torulopsis. Todas las levaduras no presentan la misma sensibilidad al etanol, las más resistentes son las Saccharomyces que se utilizan en los procesos de fermentación alcohólica para la elaboración de bebidas o la producción de alcohol industrial. Según las cepas y el estado fisiológico del cultivo, el etanol es tóxico a concentraciones de 8 a 18%. La tolerancia al etanol depende de la composición en ácidos grasos de las membranas citoplasmáticas. El SO2 tiene un efecto inhibidor más intenso sobre las bacterias que sobre las levaduras, pero entre éstas existe también diferente sensibilidad, Zygosaccharomyces bailli y los Bretanomyces son más resistentes que Kloeckera apiculata y Pichia membranaefaciens por ejemplo. Su acción depende del pH, cuando más bajo es el pH más activo es el SO2 contra los microorganismos. Existen muchos géneros de levaduras entre los más importantes están: • Saccharomyces cerevisiae, variedad ellipsoideus, es la levadura por excelencia, resistente al alcohol etílico hasta 16,8º y al SO2. • Saccharomyces rosei: no forma muchos ácidos volátiles, pero no es muy resistente al alcohol y al SO2. • Saccharomyces bayanus u oviformis: es el más resistente al alcohol (hasta 18,4º). • Saccharomyces ludwigi: es interesante por su elevada resistencia al SO2. • Schizosaccharomyces pombe: capaz de transformar el ácido málico en alcohol etílico, por medio de la fermentación maloalcohólica. Saccharomyces cerevisiae es la levadura más ampliamente utilizada en las fermentaciones industriales, metaboliza los azúcares: sacarosa, glucosa, fructosa, maltosa y maltotriosa en distinto orden. La sacarosa debe ser primero hidrolizada por la invertasa localizada en el espacio periplásmico extracelular.

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El almidón es un polisacárido abundante en la naturaleza, es interesante por lo tanto para utilizarlo como sustrato de la fermentación por las levaduras. Desgraciadamente, S. cerevisiae es incapaz de hidrolizar el almidón e incluso las dextrinas, es necesario efectuar un pretratamiento de hidrólisis con enzimas bacterianas para que S. cerevisiae pueda transformar los oligosacáridos obtenidos en etanol. Sería interesante encontrar una especie de levadura capaz de realizar ambos procesos, la hidrólisis y la fermentación. Algunas levaduras segregan amilasas, S. diastaticus produce una amiloglucosidasa, pero esta enzima sólo tiene actividad sobre los enlaces α (1-4) del almidón. Muy pocas levaduras tienen actividad celulolítica, únicamente se ha encontrado en una cepa de Aureobasidium pullulans. Sin embargo, sí que se ha encontrado un gran número de ellas capaces de utilizar la celobiosa (Brettanomyces, Candida, Dekkera, Kluyveromyces, Pichia, Saccharomyces). Algunas levaduras producen xilanasas que pueden hidrolizar las hemicelulosas, se trata en particular de Trichosporon cutaneum, Cryptoccus albidus y Aureobasidium pullulans. Otras fermentan directamente la xilosa en etanol, por ejemplo Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis y Candida shehatae. S. cerevisiae no fermenta la xilosa pero fermenta la xilulosa. 2.2. BACTERIAS 2.2.1. Bacterias lácticas Son bacterias Gram +, anaerobias aunque generalmente toleran el oxígeno. En el grupo de las bacterias lácticas, que se caracterizan por una gran producción de ácido láctico, se incluyen los géneros Lactobacillus, Streptococcus, Leuconostoc y Pediococcus. Las menos sensibles al oxígeno son los Streptococcus. Las bacterias lácticas sintetizan su ATP en la fermentación láctica de los glúcidos. Algunas especies de Lactobacillus también pueden obtener ATP por fermentación de la arginina. Ya en 1920, Orla-Jensen clasificó las bacterias lácticas en dos grupos según sus características bioquímicas: las homofermentativas y las heterofermentativas. La diferencia entre estos dos grupos se detecta por la liberación de oxígeno. Las bacterias homofermentativas se caracterizan por la capacidad de transformar la glucosa y, en la mayor parte de los casos, también la fructosa en ácido láctico, con producción nula o mínima de otros productos secundarios. Las bacterias heterofermentativas no tienen fructosa-difosfato-aldolasa y por lo tanto degradan los glúcidos por la vía llamada de las pentosas fosfatos o de las hexosas fosfatos. En las Figuras 4 y 5, en que se indican los esquemas de la fermentación homoláctica y de la heteroláctica, respectivamente, se pueden apreciar estas diferencias. Los Streptococcus son bacterias homofermentativas puesto que su fermentación es de tipo homoláctico, transformando la lactosa en ácido lác-

98 Procesos de conservación de alimentos tico. Los más conocidos son Streptococcus lactis y Streptococcus cremoris, que son los responsables de la acidificación espontánea de la leche, y el Streptococcus diacetylactis que produce también la fermentación del ácido cítrico a diacetilo, sustancia característica del aroma de la mantequilla. Es también importante el Streptococcus thermophilus que se desarrolla bien a 40-45ºC, por lo que se emplea para conseguir la acidificación del yogur durante su maduración a 45ºC y para la maduración de los quesos de pasta cocida. Los Lactobacillus pueden ser homofermentativos y heterofermentativos, los primeros son de dos tipos, termófilos y mesofilos, producen mayor cantidad de ácido láctico que los Streptococcus y tienen una leve pero intensa actividad proteolítica. Esta actividad proteolítica se aprovecha en la maduración de los quesos, en los de pasta cocida son importantes el Lactobacillus helveticus y el Lactobacillus lactis, que son termófilos. Para los quesos de pasta dura no cocida se utilizan los mesofilos Lactobacillus casei y Lactobacillus plantarum. Al grupo de los lactobacilos termófilos pertenece el Lactobacillus bulgaricus cuya actividad fuertemente acidificante se aprovecha en la elaboración del yogur. Los lactobacilos heterofermentativos presentan una menor capacidad acidificante. Dos de las bacterias heterofermentativas (L. brevis y L. buchnerii) no pueden desarrollarse en anaerobiosis con glucosa, porque no son capaces de reducir el acetil-fosfato a etanol. Sobre otros glúcidos (per ejemplo, fructosa), estas bacterias pueden desarrollarse en anaerobiosis. El género Leuconostoc está caracterizado por bacterias heterofermentativas y algunas pueden fermentar la nata con producción de diacetilo (Leuconostoc citrovorum). Algunas especies como Leuconostoc mesenteroides, cultivadas sobre medios hipersacarosados producen voluminosas cápsulas (dextrano), esta propiedad se ha utilizado para la producción de alimentos de textura más o menos filante o espesa. La síntesis del ácido láctico y la tolerancia de las bacterias lácticas a este ácido orgánico y a un pH inferior a 7, se utilizan en la conservación de alimentos, en productos lácteos, productos cárnicos y vegetales fermentados. Estas condiciones que, efectivamente, son soportables para las bacterias lácticas, no lo son para otros muchos microorganismos causantes de alteraciones: Pseudomonas, enterobacterias, Alcaligenes, Acinetobacter, etc. Sin embargo, las bacterias lácticas pueden crear problemas en algunas otras industrias, produciendo sabores y olores desagradables, como: vino, cerveza, carne, zumos de frutas, etc. Otro grupo importante son los esquizomicetos, llamados “malolácticos” porque metabolizan el ácido málico transformándolo en ácido láctico y anhídrido carbónico. Son bacterias heterolácticas de los géneros Pediococcus y Leuconostoc, requieren para su desarrollo una temperatura de al menos 1820ºC y un pH óptimo del orden de 4.

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2.2.2. Bacterias acéticas Lo que caracteriza a las bacterias acéticas es su notable capacidad de oxidar el etanol a ácido acético a pH ácido. Son aerobias estrictas y Gram –. Las que se utilizan en la producción de vinagre pertenecen al género Acetobacter, las principales especies, en orden de importancia según su rendimiento fermentativo, son: Aceti, Pasteurianum, Suboxydans, Oxydans, etc. Habrá por tanto que favorecer el desarrollo de las que dan mayor rendimiento. Para que las bacterias acéticas puedan desarrollarse de forma adecuada, el medio debe estar bien oxigenado, es decir en continuo y constante contacto con el aire, así como a temperaturas superiores a 20ºC. 2.3. MOHOS Los mohos, por la acción de sus activos y complejos sistemas enzimáticos, son capaces de alterar los alimentos, produciendo en ellos cambios irremediables. Pero también debido a sus actividades bioquímicas, se comportan como agentes responsables de biodegradaciones, biosíntesis o bioconversiones, transformando de forma beneficiosa sustratos de escaso valor alimenticio y poco atractivos, en alimentos ricos en elementos asimilables de agradable sabor y aroma o en sabrosos condimentos. Un campo importante de aplicación de esta actividad de los mohos es la fabricación de quesos. Los más interesantes son los mohos blancos, como Penicillium camemberti que, con sus “biotipos” P. candidum y P. caseicolum se utilizan para la fabricación de quesos enmohecidos superficialmente (Camembert, Brie) y los mohos azules, como el Penicillium roqueforti utilizado para inocular los quesos enmohecidos en toda la masa (Roquefort, Gorgonzola, etc.). Hay que tener en cuenta también el Geotrichum candidum, utilizado frecuentemente en quesería como factor de calidad en los quesos de pasta blanda o como flora dominante indispensable en algunos quesos de pasta prensada. Otros mohos, como el Penicillium nalgiovense, son utilizados en productos cárnicos (mohos de la superficie del salchichón por ejemplo). Los mohos intervienen también en la producción de los principales alimentos fermentados típicos producidos en Japón: el “shoyu” (salsa de soja fermentada) y el “miso” (pasta de soja fermentada). Su producción se hace en dos etapas, la primera consiste en cultivar un Aspergillus (A. oryzae o A. flavus) en un medio a base de soja y de arroz o de trigo con el fin de que produzcan enzimas que degraden los tejidos vegetales (amilasas, proteasas, lipasas, celulasas, pectinasas), se obtiene así un “koji” que se utiliza como “starter” para la segunda etapa. Según los procesos que intervienen, asociando lactobacilos y levaduras, se obtendrá un “shoyu” o un “miso”. También el “sake” (alcohol de arroz) se produce por digestión del arroz cocido con un “koji al arroz” preparado con A. niger o A. flavus y fermentando el producto resultante con lactobacilos y levaduras.

100 Procesos de conservación de alimentos Los mohos ocupan un lugar importante en el mercado de las enzimas, en la tabla 1 se indican algunas enzimas de interés industrial obtenidas a partir de mohos. Tabla 1. Principales enzimas de interés industrial obtenidas a partir de mohos Enzimas

Hidrolasas Glucoamilasas

α-amilasas β-glucanasa α-galactosidasa β-galactosidasa (lactasa) Dextranasas Pectinasas

Microorganismos productores

A. awamori, A. oryzae, A. saitoi, A. niger, Rhizopus niveus, R. delemar, Mucor pusillus, M. rouxianus A. oryzae, A. niger, A. sojae, Penicillium expansum, Rhizopus sp. A. oryzae, A. niger Aspergillus sp. Mortierella vinacea A. niger Penicillium funiculosum, Trichoderma sp. A. niger, A. ochraceus, Penicillium glaucum

Pentosanasas

A. niger

Naringinasa

A. niger

Lipasas y esterasas A. niger, R. delemar, Geotrichum candidum, Mucor javanicus, M. miehei, Absidia butleri Proteasas Proteasas ácidas Proteasas neutras Proteasas alcalinas Oxidasas Glucosa oxidasa

Aplicaciones

Panadería industrial Cervecería Bebidas azucaradas Confitería (sacarificación del almidón) Idem Cervecería (ayuda a la filtración) Azucarería (cristalización del azúcar, conversión de rafinosa en sacarosa) Transformación del lactosuero Mejora de la calidad de la leche Azucarería Industrias de vinos y zumos de frutas (clarificación, degradación de las pectinas) Industria del vino (eliminación de turbios) Eliminación del amargor de los zumos de cítricos Industria quesera (factores de calidad)

M. pusillus, A. oryzae, A. saitori, A. niger, Trametes sanguineara A. oryzae A. oryzae

Hidrólisis de la proteína de soja Panificación (reducción de la viscosidad de la pasta) Ablandamiento de la carne maduración de los quesos

A. niger, P. glaucum, P. notatum

Antioxidantes (eliminación de trazas de glucosa en el polvo de huevo seco; estabilización del color y del sabor de cervezas y bebidas azucaradas) Transformación de la glucosa en ácido glucónico

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3. EL PROCESO DE FERMENTACIÓN Se puede definir la fermentación como la transformación que sufren ciertas materias orgánicas bajo la acción de enzimas segregadas por microorganismos. Se trata pues de un proceso de naturaleza bioquímica. La palabra fermentación ha sufrido también una evolución, primero este término se utilizó para describir el burbujeo que se produce durante la vinificación, antes de que se descubriera la existencia de levaduras. Sin embargo, después del descubrimiento de Pasteur, la palabra pasó a utilizarse para describir la actividad microbiológica y después la actividad enzimática. Generalmente, el término es utilizado para indicar la evolución del dióxido de carbono gas durante la acción de células vivas. Ahora bien, ni la evolución del gas o la presencia de células vivas es esencial para la acción fermentativa, en la fermentación láctica, por ejemplo, no se libera gas. Existe una diferencia clara entre fermentación y putrefacción. La fermentación es una acción de descomposición de los hidratos de carbono, la putrefacción se relaciona con la acción general de los microorganismos sobre los componentes proteicos. El proceso de fermentación normalmente no genera malos olores y usualmente se produce dióxido de carbono. En la putrefacción, los materiales implicados pueden contener dióxido de carbono, pero los olores característicos son ácido sulfhídrico y azufre contenidos en los productos de descomposición de las proteínas. La respiración es un proceso en el cual los hidratos de carbono son convertidos aeróbicamente en dióxido de carbono y agua, con liberación de grandes cantidades de energía. La fermentación es un proceso anaeróbico, o parcialmente anaeróbico, de oxidación de los hidratos de carbono. Respiración y fermentación son dos procesos que llevan a la liberación de la energía, contenida en las sustancias orgánicas, aunque en distinta cantidad, en la fermentación se libera menor cantidad de energía. La putrefacción es una degradación anaeróbica de materiales proteicos. La fermentación tiene lugar en ambiente anaeróbico, con degradación de la sustancia orgánica en compuestos intermedios que actúan de donadores y aceptores de electrones (proceso de oxido-reducción) con liberación de energía. La transformación y la degradación de compuestos orgánicos, no siempre lleva a la obtención de compuestos útiles, es importante, por tanto, tratar de controlar las fermentaciones de forma que se eliminen los indeseables, aprovechando los conocimientos fisiológicos de las especies microbianas que intervienen en el proceso productivo. Los microorganismos tienen a su disposición, en la materia prima de origen, hidratos de carbono, proteínas, grasas, minerales y otros nutrientes menores. Pero atacan primero a los carbohidratos, después a las proteínas y las grasas. El primer requerimiento de la actividad microbiana es la energía, existe por tanto un orden de preferencia. Así pues también hay un orden de ataque

102 Procesos de conservación de alimentos entre los compuestos derivados del carbono, primero los azúcares, después los alcoholes y después los ácidos.

4. TIPOS DE FERMENTACIONES 4.1. GLICOLÍSIS La fase inicial del metabolismo de los azúcares, aunque posteriormente se desarrolle por rutas bioquímicas diferentes, es la glicolísis o vía de EmbdenMeyerhof, que comprende el conjunto de reacciones que permiten a las células vivas transformar los azúcares en C6 (glucosa y fructosa) en ácido pirúvico. Estas reacciones se producen tanto en anaerobiosis (fermentación alcohólica y láctica) como en aerobiosis (respiración) y constituyen, como se ha dicho, la primera fase del metabolismo de los azúcares por diferentes rutas bioquímicas. En la figura 1 se indica esta ruta metabólica, que lleva hasta la producción de ácido pirúvico. Cuando hay presente sacarosa, es hidrolizada en glucosa y fructosa por medio de una invertasa específica, y a partir de ellas se desarrolla el proceso, cuya primera parte es una fosforilación de los azúcares con intervención de dos moléculas de ATP (adenosintrifosfato) que lleva a la formación de fructosa-1,6-difosfato. En esta fase el consumo de energía corresponde al paso de dos ATP a dos ADP (adenosindifosfato). A continuación la fructosa-1,6-difosfato se divide en dos moléculas de tres átomos de carbono cada una, que están en equilibrio entre ellas: fosfato de dioxiacetona y gliceraldehido-3-fosfato. El equilibrio se desvía hacia el fosfato de dioxiacetona que representa el 96,5%, mientras que el gliceraldehido-3-fosfato representa por tanto el 3,5%, pero es este último el que reacciona posteriormente con intervención del NAD (nicotinamida-adenin-dinucleótido) y se transforma en ácido 3-fosfoglicérico, mientras que la energía de oxidación permite la formación de una molécula de ATP a partir de una de ADP y una de fosfato mineral. El ácido 3-fosfoglicérico pasa a 2-fosfoglicérico y éste, por eliminación de agua, a ácido fosfoenolpirúvico. El enlace del fósforo con el oxidrilo enólico es un enlace rico en energía y permite, por reacción con una molécula de ADP, la formación de una de ATP, mientras que se libera la forma enólica del ácido pirúvico, en equilibrio con la cetónica. La posterior evolución de una molécula de gliceraldehido-3-fosfato a ácido pirúvico lleva todavía a la formación de dos moléculas de ATP, en consecuencia, en la degradación de una molécula de hexosa a ácido pirúvico se forman cuatro moléculas de ATP. De éstas, dos moléculas se han consumido en las reacciones de fosforilación, por lo tanto la glicolísis implica una ganancia de dos ATP por cada molécula de hexosa metabolizada.

Conservación por fermentación

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glucosa, 6-fosfato (éster de Robinson)

Glucosa

Sacarosa

Fructosa fructosa, 6-fosfato (éster de Neuberg)

6

1 2

5 4

Fosforilación de los azúcares

dihidroxiacetona fosfato 96,5%

3

fructosa, 1-6 bifosfato (éster de Harden y Young)

gliceraldehído, 3fosfato 3,5%

Figura 1.–Esquema de la glicolísis.

104 Procesos de conservación de alimentos

gliceraldehído, 3-fosfato

Ac. 3 fosfo-glicérico

Ac. pirúvico

Ac. 2 fosfo-glicérico

Ac. fosfoenolpirúvico

Figura 1 (continuación).–Esquema de la glicolísis.

En la respiración aeróbica, el ácido pirúvico puede ser oxidado, por medio de las reacciones del ciclo de Krebs, a agua y anhídrido carbónico: CH3 – CO – COOH + 5/2 O2 → 3CO2 + 2H2O En anaerobiosis el ácido pirúvico no puede ser oxidado, por falta de oxígeno, pero puede servir como aceptor del hidrógeno que aparece en la glicolísis bajo forma de NADH2 (nicotamida-adenin-dinucleótido reducido), en este caso se reduce directamente a ácido láctico (fermentación homoláctica). Si la reducción está precedida por la descarboxilación a acetaldehido, se produce formación de alcohol (fermentación alcohólica). Si los dos átomos de hidrógeno de la glicolísis se utilizan de otro modo, el ácido pirúvico no puede ser reducido, pudiendo dar origen en anaerobiosis a un gran número de productos secundarios. Como se ha indicado, a partir del ácido pirúvico las rutas metabólicas difieren según se trate de fermentación alcohólica o de fermentación láctica.

Conservación por fermentación

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4.2. FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica viene expresada por la ecuación de Gay-Lussac, en la que a partir de una hexosa se obtiene alcohol etílico y anhídrido carbónico: C6H12O6 → 2CH3 – CH2OH + 2CO2 hexosa

etanol

an. carbónico

Sin embargo en la fermentación vinaria, no se tiene una fermentación alcohólica pura, ya que no todas las moléculas de azúcar siguen la citada ecuación de Gay-Lussac, sino que una cierta proporción es degradada siguiendo una fermentación gliceropirúvica de acuerdo con la ecuación de Neuberg: C6H12O6 → CH2OH – CHOH – CH2OH + CH3 – CO – COOH Hexosa

Glicerina

Ac. pirúvico

Junto a la glicerina aparece como producto de la fermentación ácido pirúvico, eventualmente descarboxilado a acetaldehido, pero que no puede ser reducido a alcohol, por lo que es el origen de diversos productos secundarios que se forman en anaerobiosis. En la fermentación alcohólica, el ácido pirúvico producido en la glicolísis es descarboxilado a acetaldehido, que es reducido a etanol por medio del NADH2 que se ha formado en la glicolísis, durante la oxidación del gliceraldehido-3-fosfato. Las dos reacciones están acopladas y constituyen un mecanismo de óxido-reducción: si el NADH2 no fuera reoxidado, la glicolísis se detendría al reducirse todo el NAD. En la figura 2 se indica el esquema del proceso de la fermentación alcohólica. Glucosa o glicolísis glicolísis Fructosa gliceraldehído 3-fosfato

Ac. 3-fosfoglicérico

Alcoholdeshidrogenasa

descarboxilasa

alcohol etílico Figura 2.–Esquema de la fermentación alcohólica.

Ac. pirúvico

106 Procesos de conservación de alimentos El balance energético de la fermentación alcohólica es idéntico al de la glicolísis, con formación de dos ATP. Por lo tanto, el balance químico completo de la fermentación por acción de las levaduras se puede expresar de la siguiente forma: C6H12O6 + 2ADP + 2H3PO4 → 2CH3 –CH2OH + 2CO2 + 2ATP + 2H2O Hexosa

Ac. fosfórico

Etanol

Desde el punto de vista energético, la variación de energía libre en la transformación de una molécula de hexosa en alcohol y anhídrido carbónico, supone la cesión de 40 Kcal. Este valor se desprende fácilmente de la diferencia entre las calorías producidas por la combustión de una molécula de azúcar y de dos moléculas de alcohol etílico. La formación de un enlace ATP supone la fijación de 7,3 Kcal, es decir, dos enlaces ATP, 14,6 Kcal, se ponen a disposición de las levaduras para asegurar su actividad vital, en particular para la multiplicación; las levaduras toman la energía que necesitan únicamente del ATP. Quedan por tanto, 40 – 14,6 = 25,6 Kcal que se liberan en forma de calor, que calientan la masa en fermentación. Como se ha dicho antes, el NADH2 es reoxidable a expensas del acetaldehido y que las reacciones de oxidación del aldehído, 3-fosfoglicérico al ácido correspondiente y la de reducción del acetaldehído a alcohol están perfectamente acopladas. Pero al comienzo de la glicolísis no existe acetaldehído presente en el medio y en consecuencia el NADH2, formado en la oxidación del gliceralde-

glicolísis productos secundarios gliceraldehído, 3-fosfato

dioxiacetona fosfato

Ac. 3-fosfoglicérico

Ac. pirúvico

Glicerofosfato

Figura 3.–Esquema de la fermentación gliceropirúvica.

Glicerina

Conservación por fermentación

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hído-3-fosfato, no puede ceder su hidrógeno al acetaldehído, y si la glicolísis debe seguir es necesario que se reoxide de otro modo. La reoxidación se produce a expensas del fosfato de dioxi-acetona, que es reducido a glicero-fosfato y después hidrolizado a glicerina. Existe por tanto, un periodo de inducción durante el cual se produce una fermentación gliceropirúvica. En efecto, reoxidándose el NADH2 con formación de glicerina, la glicolísis puede proseguir, pero el ácido pirúvico formado, o el acetaldehído procedente de su descarboxilación, no puede ser reducido a alcohol o a ácido láctico, que como veremos después también producen las levaduras durante la fermentación de los azúcares, y se acumula por lo tanto en el medio; el acetaldehído formado permite activar la fermentación alcohólica y el ácido pirúvico es el origen de toda una serie de productos secundarios. Existe competencia entre los dos aceptores de hidrógeno, acetaldehído y dioxiacetona, el primero se reduce más fácilmente por lo tanto prevalece la formación de alcohol, pero se mantiene una cierta competencia del segundo aceptor incluso después del periodo de inducción. No obstante el 92%, aproximadamente, de las moléculas de azúcar siguen la fermentación alcohólica. La fermentación alcohólica es la etapa esencial de fabricación de las bebidas fermentadas: vino, cerveza y sidra, y de las bebidas destiladas, por lo tanto es fundamental controlar el proceso de conversión a alcohol, para favorecer la producción de los componentes favorables del aroma y al mismo tiempo, minimizar la formación de los desfavorables. Las levaduras durante su desarrollo en medio azucarado, producen, además de etanol y CO2, compuestos cuyas características organolépticas participan de forma importante en el aroma de los productos fermentados. Estos compuestos se pueden clasificar en cinco grupos: alcoholes, ésteres, aldehídos y cetonas, compuestos azufrados y ácidos orgánicos. Dichos compuestos tienen umbrales de percepción diferentes y, por lo tanto, este parámetro influye tanto en su apreciación como su concentración. Un compuesto con un umbral de percepción bajo puede desempeñar un papel importante en el aroma, incluso en cantidades pequeñas. Los alcoholes superiores representan los componentes, de influencia en las características organolépticas, más abundantes, pero sus umbrales de percepción son diez veces más altos que los de los ésteres y mil veces mayores que el del diacetilo, su contribución no es importante en el aroma de las bebidas fermentadas. La mayor parte de los alcoholes superiores proceden del metabolismo de los aminoácidos. Entre los encontrados en el vino o en la cerveza, los más importantes son el 2-metil-1-butanol y 3 metil-1-butanol (alcoholes isoamílicos), isobutanol, fenil-etanol y n-propanol. Las condiciones en que se produce la fermentación afectan al contenido final de alcoholes superiores, el aumento de la temperatura de fermentación y la oxigenación del mosto aumenta la síntesis de estos compuestos. Un factor importante es la cepa de levadura, cepas distintas producen cantidades diferentes de alcoholes superiores en las mismas condicio-

108 Procesos de conservación de alimentos nes. La selección de levaduras se hace teniendo en cuenta, entre otros, este criterio, puesto que se busca la reducción de la presencia de estos compuestos, por su influencia desfavorable sobre la calidad del vino y de la cerveza. Los ésteres, producidos por las levaduras durante la fermentación, por una reacción enzimática entre los derivados acetil CoA de ácidos grasos y los alcoholes libres, tienen una influencia favorable sobre la calidad del producto final. Los más importantes en cuanto a cantidad, son el acetato de etilo, el acetato de isoamilo, el acetato de propilo, etc. El acetato de etilo es el más abundante en las bebidas fermentadas pero, teniendo en cuenta su elevado umbral de detección, no es el más importante en el aroma de dichas bebidas. 4.3. FERMENTACIÓN LÁCTICA Casi todos los microorganismos producen una cierta cantidad de ácido láctico de la escisión de los hidratos de carbono, y se acaba de indicar que también es uno de los productos de la fermentación alcohólica, aunque en pequeña cantidad. El ácido láctico es, por tanto, el producto principal de la fermentación láctica, en algunos casos es el único producto final (homofermentación) y en otras ocasiones se producen además lactato, etanol y eventualmente acetato (heterofermentación). La ruta metabólica de la fermentación láctica comienza con la glucosa, para que se inicie a partir de la lactosa es necesario que se produzca una escisión hidrolítica de la misma, por acción de una enzima: lactasa C12H22O11 → 2C6H12O6 Mientras que la fermentación homoláctica es la interesante para la industria agroalimentaria, es útil para la fabricación de muchos productos lácteos, productos cárnicos y vegetales fermentados, la fermentación heteroláctica, en cambio, representa una de las causas más frecuentes de la aparición de malos sabores en esos mismos productos y es también la causante de la alteración conocida como picado láctico en los vinos. La fermentación heteroláctica se utiliza en la producción de bebidas ácido-alcohólicas a base de leche, como el kéfir. La fermentación láctica puede resultar particularmente útil, cuando se produce en ambiente controlado, en la producción de ciertos alimentos, como por ejemplo en la preparación de leches fermentadas o ácidas o en la maduración de la nata para la preparación de la mantequilla, y en la elaboración de productos cárnicos y vegetales fermentados. El ácido láctico producido por los microorganismos representa un factor fundamental en la protección del queso sin madurar contra los procesos de putrefacción, una acidificación insuficiente de la cuajada representa uno de los peligros más graves en la fabricación de quesos; posteriormente, durante la maduración del queso, el ácido láctico será metabolizado con producción de otros ácidos volátiles que caracterizan los distintos tipos de queso.

Conservación por fermentación

109

4.3.1. Fermentación homoláctica La fermentación homoláctica se puede resumir: C6H12O6 → 2CH3 – CHOH – COOH glucosa

ac. láctico

La fase inicial de la fermentación de los azúcares por vía homoláctica es, como ya se ha indicado, la glicolísis, vía de Embden-Meyerhof-Parnas, en la que se obtiene ácido pirúvico. En la fermentación láctica actúa sobre este ácido pirúvico la lactodeshidrogenasa, que cierra el ciclo oxidativo iniciado durante la glicolísis con la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato a ácido 3-fosfoglicérico (figura 4). El balance energético de la fermentación homoláctica es idéntico al de la fermentación alcohólica, puesto que corresponde al balance de la glicolísis, es decir se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de azúcar metabolizada.

Glucosa

glicolísis

glicolísis Ac. 3-fosfoglicérico

gliceroaldehído 3-fosfato

lacticodeshidrogenasa ac. láctico

Ac. pirúvico

Figura 4.–Esquema de la fermentación homoláctica.

4.3.2. Fermentación heteroláctica En la figura 5 se resume el esquema de la fermentación heteroláctica, la vía empleada en este caso es la de las pentosas-fosfato. El punto de partida es la glucosa-6-fosfato que es oxidada a ácido 6-fosfoglucónico, el cual sufre una descarboxilación oxidativa transformándose en una pentosa, ribulosa-5-fosfato. Se produce una isomerización de éste a xilosa-

110 Procesos de conservación de alimentos

ATP

ADP

ribulosa-5-P

xilulosa-5-P

acetilfosfato gliceraldehído-3-P

ácido pirúvico

acetaldehído

Figura 5.–Esquema de la fermentación heteroláctica.

Conservación por fermentación

111

5-fosfato, a continuación se produce una rotura de la molécula con formación de un compuesto en C2, el acetilfosfato, y uno en C3, el gliceraldehído-3-fosfato, que ya conocemos como producto de la glicolísis. A partir de este punto se desarrolla un mecanismo principal, en el cual el gliceraldehído-3-fosfato toma la vía de la glicolísis y llega ácido pirúvico y éste por reducción a ácido láctico. El acetilfosfato, el otro elemento originado en la rotura de la pentosa, es reducido a alcohol etílico para asegurar la reoxidación de dos moléculas de NADH2. En el curso de la degradación de una molécula de hexosa se tiene la formación de tres NADH2: una por la oxidación de la glucosa a ácido glucónico, una por la oxidación con descarboxilación del ácido glucónico a ribulosa y otra por la oxidación del aldehído-3-fosfoglicérico a ácido 3-fosfoglicérico. De estas tres moléculas de NADH2 una es reoxidada reduciendo el pirúvico a láctico y las otras dos reduciendo precisamente el acetofosfato a alcohol etílico. La fermentación heteroláctica puede expresarse por la reacción siguiente: C6H12O6 → CH3 – CHOH – COOH + CH3 – CH2OH + CO2 Glucosa

Ac. láctico

Etanol

4.4. OTRAS FERMENTACIONES Las fermentaciones descritas anteriormente, realizadas por levaduras y bacterias, se basan en la degradación de los azúcares, pero existen también otras fermentaciones, principalmente llevadas a cabo por bacterias, que utilizan como sustrato otro tipo de productos. 4.4.1. Fermentación acética Se puede definir como la oxidación bioquímica del etanol contenido en un sustrato alcohólico, para formar ácido acético. Esta oxidación es producida por bacterias acéticas, que realizan dicha transformación exotérmica para tomar energía para su desarrollo. La oxidación del etanol se realiza en dos etapas: en la primera el etanol se oxida a acetaldehido y en la segunda el acetaldehido a ácido acético. El ataque del alcohol por las bacterias se produce en presencia de oxígeno, es decir en aerobiosis, la transformación global producida puede resumirse así: CH3 – CH2OH + O2 → CH3 – COOH + H2O Etanol

Ác. acético

Estos son los compuestos principales que se obtienen, pero como en todos los procesos bioquímicos, se forman otros productos, según el medio,

112 Procesos de conservación de alimentos el sustrato y los agentes de la fermentación, que contribuyen a la formación del aroma. Entre los compuestos químicos que se producen están: acetato de etilo, etanal, formiato de etilo, butanol, isopropanol, etc. y los correspondientes acetatos. Este proceso se utiliza para la fabricación de vinagre y es además el causante de la alteración conocida como picado acético de los vinos.

alcohol etílico

acetaldehído

acetaldehído hidratado

Energía

acetaldehído hidratado

ácido acético Figura 6.–Esquema de la fermentación acética.

4.4.2. Fermentación maloláctica La transformación del ácido málico en ácido láctico se produce a través de mecanismos intermedios todavía no conocidos. El fenómeno se puede describir de forma global como sigue: HOOC – CH2 – CHOH – COOH → CO2 + CH3 –CHOH – COOH ácido málico

ácido láctico

La transformación es endoenergética, no pone a disposición de la célula ninguna energía, por lo tanto la célula debe tomar la energía necesaria de los glúcidos presentes en el medio, no se trata pues de una verdadera fermentación. Se conocen diversas enzimas capaces de transformar el ácido málico, con posible evolución final hacia el ácido láctico, en particular la málicodeshidrogenasa, la enzima málica y la enzima maloláctica. En la figura 7 se representan los esquemas referidos a la transformación enzimática del ácido láctico.

Conservación por fermentación

113

4.4.3. Fermentación maloalcohólica El ácido málico disminuye durante la fermentación alcohólica y según la especie de levadura puede observarse una pérdida del 10 al 25% de la cantidad inicial. Levaduras particulares del género Schizosaccharomyces pueden degradar cantidades importantes de ácido málico, hasta el 90% del contenido inicial (Schizosaccharomyces pombe), sin embargo estas levaduras tienen un desarrollo lento, por lo que difícilmente predominan. I. Malicodeshidrogenasa

descarboxilasa ac. málico

láctico láctico

ac. pirúvico

ac. oxalacético

II. Enzima málica

ac. málico III. Enzima maloláctica

ac. pirúvico

ac. málico

láctico láctico

ac.

láctico

Figura 7.–Esquema de las transformaciones enzimáticas del ácido málico.

La degradación del ácido málico corresponde a una verdadera fermentación, con la intervención de la enzima málica que transforma el ácido málico en ácido pirúvico, que sigue después la fermentación alcohólica. La actividad de la enzima málica se desarrolla en presencia de iones manganeso según el mecanismo indicado en la figura 8. 4.4.4. Fermentación propiónica Está producida por bacterias esporógenas del género Propionobacterium y es la que produce los ojos característicos del queso Emmental. Estas bacterias

114 Procesos de conservación de alimentos

Figura 8.–Esquema de la fermentación maloalcohólica.

ácido láctico

ácido pirúvico

ácido propiónico

ácido acético

Figura 9.–Esquema de la fermentación propiónica.

pueden fermentar también el ácido láctico procedente de otras fermentaciones, con producción de ácido propiónico, ácido acético, anhídrido carbónico y otros productos. 4.4.5. Fermentación butírica Es producida por bacterias esporógenas anaerobias del género Clostridium y es causa de alteraciones en los alimentos. La especie más representativa es el Clostridium butyricum. En la figura 10 se indica el esquema de esta fermentación.

Conservación por fermentación

ac. pirúvico

115

acetil acetil

ac. acético

acetoacetil

ácido butírrico acetona

ac. isopropílico

butanol Figura 10.–Esquema de la fermentación butírica.

4.4.6. Fermentación 2,3-butilenglicol Esta fermentación se debe a bacterias coliformes tales como Enterobacter y también algunas especies de Aeromonas. El punto de partida es el ácido pirúvico producido en la glicolísis y se obtienen como productos de la fermentación 2,3-butilenglicol y diacetilo. En la figura 11 se resume el esquema de este tipo de fermentación. 4.4.7. Fermentación ácido-mixta Es una fermentación debida también a bacterias coliformes, como Escherichia coli, que pueden estar presentes debido a contaminación fecal. Es causa de alteraciones.

116 Procesos de conservación de alimentos

ácido pirúvico ácido α-aceto láctico

acetoína

2,3-butilenglicol

diacetilo

Figura 11.–Esquema de la fermentación 2,3-butilenglicol.

4.5. PRODUCTOS DERIVADOS DEL ÁCIDO PIRÚVICO PRODUCIDO EN LA GLICOLÍSIS El ácido pirúvico producido en la glicolísis, como se ha visto, es el punto de partida de diferentes rutas metabólicas, dando lugar a varios productos secundarios. En la figura 13 se resumen los principales productos secundarios a que da lugar este ácido pirúvico. En dicho esquema se incluye también la ruta de formación de ácido láctico por las levaduras durante la fermentación alcohólica, aunque siempre en pequeñas cantidades, una pequeña cantidad de ácido pirúvico escapa a la acción de la descarboxilasa y es directamente reducido a ácido láctico.

Conservación por fermentación

117

El ácido pirúvico puede dar lugar a la formación de acetilcoenzima A, que por hidrólisis produce ácido acético. Existen dos vías de formación del acetilcoenzima A, una oxidativa con intervención del NAD y producción de CO2 y otra con formación de ácido fórmico.

ácido fórmico

ácido láctico

ácido pirúvico

acetil

acetil acetaldehído

etanol

ac. acético

Figura 12.–Esquema de la fermentación ácido-mixta.

La condensación de dos moléculas de ácido pirúvico junto con descarboxilación lleva a la formación de acetoína o acetilmetilcarbinol, que por oxidación puede pasar a diacetilo y por reducción a butilenglicol o 2,3-butanodiol. El ácido pirúvico puede también ser carboxilado con formación de ácido oxalacético, que se transforma en ácido málico, éste a su vez da origen al ácido fumárico y después al ácido succínico y al ácido propiónico.

5. APLICACIONES DE LOS PROCESOS FERMENTATIVOS A LA INDUSTRIA AGROALIMENTARIA La utilización de las fermentaciones, básicamente la fermentación alcohólica y la fermentación láctica, ha dado lugar a una amplia gama de productos fermentados, los procesos industriales son obviamente distintos, pero sus fundamentos bioquímicos son los expuestos anteriormente y, evidentemente, aunque se trate de un determinado tipo de fermentación, la fabricación de cada producto plantea unos problemas especiales y unos requisitos específicos.

118 Procesos de conservación de alimentos

al. etílico ac. acético

ac. láctico

acetilcoenzima A

ac. pirúvico

ac. butírico

ac. acetilacético

ac. fórmico

hunberg

an -Werkm

reacción T

n Wood

reacció

diacetilo

ac. oxalacético

acetón

ac. málico

2,3-butanodiol ac. fumárico

ac. succínico

ac. propiónico

Figura 13.–Esquema de los productos secundarios obtenidos a partir del ácido pirúvico.

Conservación por fermentación

119

5.1. PRODUCTOS DERIVADOS DE LA FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA La fermentación alcohólica es la base del proceso de elaboración de bebidas fermentadas tales como vino, cerveza y sidra, de bebidas destiladas, whisky, vodka, ron, etc., y de productos de panadería. Los sustratos a partir de los cuales se produce la fermentación son en todos los casos hidratos de carbono, pero difieren de unos productos a otros como también son distintas las levaduras que realizan la fermentación y los requisitos que se les exigen. En la obtención de vinos y sidras el sustrato de la fermentación alcohólica son glucosa y fructosa. De forma tradicional, la transformación de los mostos se ha desarrollado como un fenómeno espontáneo, por medio de levaduras indígenas. Tras el inicio de la fermentación por levaduras oxidativas de los géneros Kloeckera y Hansensiaspora, la parte esencial de la fermentación alcohólica la realizan cepas de Saccharomyces cerevisiae. Desde hace algunos años, de forma particular en la elaboración de vinos, la fermentación se lleva a cabo por utilización de levaduras seleccionadas, generalmente pertenecientes al género Saccharomyces cerevisiae. En la tabla 2 se resumen los principales criterios de selección de las levaduras enológicas. Tabla 2. Criterios de selección de las levaduras enológicas Favorables

Buen rendimiento en etanol Tolerancia al etanol Producción de ésteres Producción de glicerol Adaptación a temperaturas bajas Bajas exigencias en elementos nutricionales

Desfavorables

Producción de H2S Formación de acidez volátil Producción de SO2 Formación de espuma Producción elevada de alcoholes superiores Producción de compuestos que se combinan con H2S

Otros

Tolerancia al SO2 Carácter killer Degradación del ácido málico

En la sidra y en algunos vinos se desarrolla además la fermentación maloláctica, producida por bacterias lácticas, por lo general pertenecientes a los géneros Lactobacillus, Leuconostoc y Pediococcus. En el caso de la cerveza, las materias primas además del lúpulo y agua, son malta y otros cereales, por lo tanto en este caso el sustrato lo constituyen la maltosa y la maltotriosa. En la elaboración de la cerveza, compiten dos tipos de levaduras: Saccharomyces cerevisiae, de fermentación “alta” porque sube a la superficie al final de la fermentación principal, que produce la cerveza tipo “ale” a temperaturas de 15 a 22ºC, y Saccharomyces uvarum (antes carlsber-

120 Procesos de conservación de alimentos gensis), de fermentación baja, que cae al fondo de la cuba al final de la fermentación principal, y produce la cerveza de tipo “lager” a temperaturas de 6 a 15ºC. En la fabricación de cerveza se utilizan siempre levaduras seleccionadas, las características más importantes que deben presentar estas levaduras son: • producir una fermentación rápida pero sin crecimiento excesivo en biomasa de levadura. • realizar una buena conversión de maltosa y maltotriosa en etanol. • resistencia al etanol. • resistencia a la presión osmótica (importante para los mostos de alta densidad). • dar perfiles aromáticos equilibrados y reproducibles. • eventualmente carácter floculante. • buena estabilidad genética en el tiempo. Las bebidas destiladas aparecieron con la concepción y utilización del alambique, el fundamento de su proceso de elaboración es la diferente riqueza en sustancias volátiles entre las fases líquida y vapor de un producto calentado, lo que permite recoger el alcohol y los compuestos aromáticos de los productos vegetales fermentados. Primero se comenzó por la destilación de bebidas fermentadas ya existentes (vino, sidra, hidromiel, etc.) después, la obtención de fermentaciones específicas de sustancias vegetales azucaradas (frutos diversos, caña de azúcar, melazas de azucarería, orujos de vinificación, etc.) dio lugar a la creación de nuevos productos. La destilación produce un alcohol de elevado grado, en general de 62 a 85º, para que sea aceptado por el paladar es necesario realizar una reducción de esta graduación con la adición de agua destilada hasta un nivel fijado por la legislación, generalmente entre 40 y 55º. Las sustancias naturales que son la base de la elaboración de las bebidas alcohólicas destiladas, abarcan un gran abanico de posibilidades. La mayoría de las frutas (uvas, manzanas, peras, cerezas, melocotón, etc.), los cereales (cebada, maíz, trigo, centeno, arroz, etc.), la caña de azúcar y sus derivados, la patata, las savias de vegetales (palmera, pita), etc. El ron se obtiene a partir del jugo de caña de azúcar o de la melaza de azucarería, los compuestos azucarados son principalmente glucosa, fructosa, sacarosa y una pequeña cantidad de polisacáridos. El whisky y una parte del vodka comercializado son productos de la fermentación de diversos cereales, que contienen fundamentalmente almidón, que como ya se ha dicho, no es directamente fermentable es necesario provocar previamente la degradación de este polímero con la ayuda de amilasas. Para otras materias primas utilizadas, uva y frutas diversas, los hidratos de carbono naturales son en su mayor parte monómeros, glucosa y fructosa, acompañados de dímeros en menor cantidad, particularmente sacarosa. El criterio fundamental de selección de los microorganismos que realizan esta fermentación es que proporcionen el mejor rendimiento en alcohol.

Conservación por fermentación

121

Las fermentaciones tradicionales del pan se llevaban a cabo por los microorganismos presentes en la harina, este sistema fermentativo está compuesto esencialmente por levaduras y un complejo de bacterias, principalmente lácticas. La evolución de las tecnologías de panificación ha reducido progresivamente la acción de la flora bacteriana, la siembra masiva de levadura que se emplea en la actualidad, anula prácticamente la posibilidad de desarrollo de esta flora bacteriana. Las levaduras son las que originan el hinchamiento de la masa, produciendo la casi totalidad del CO2 necesario pera ello, gracias a la gran rapidez en fermentar la glucosa. La principal característica que se exige a las levaduras de panificación es una velocidad de crecimiento lo más rápida posible junto con un buen rendimiento, otras características importantes son: • resistencia al secado para el caso de levaduras que se comercializan como levaduras secas activas. • resistencia a la congelación para la preparación de masas congeladas. • color: los panaderos prefieren levaduras blancas. • conservación: las levaduras muestran una disminución de su actividad fermentativa durante el almacenamiento. La temperatura y el oxígeno tienen una gran importancia en la conservación. • tolerancia a presiones osmóticas elevadas para utilización en masas azucaradas. • tolerancia al ácido propiónico: este ácido puede ser añadido a las harinas utilizadas en la fabricación de pan de miga para inhibir el desarrollo de mohos. • calidad aromática para el desarrollo del aroma del pan. 5.2. PRODUCTOS DERIVADOS DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA La fermentación láctica es el proceso básico de fabricación de varios productos de origen vegetal y animal. Entre los primeros se pueden citar los vegetales fermentados tales como coles, aceitunas y pepinillos, y los vegetales ensilados; entre los de origen animal se incluyen el yogur y otras leches fermentadas, quesos y los embutidos crudos curados, en algunos quesos se desarrollan además mohos y en los embutidos crudos curados en la superficie de la tripa predominan mohos y levaduras. La utilización de cultivos puros de bacterias lácticas para la fermentación de productos vegetales, tales como pepinillos, aceitunas, col, etc., es todavía muy limitada, la fermentación natural de estos productos se debe a bacterias lácticas presentes en su superficie, se trata sobre todos de lactobacilos: Lb. plantarum, Lb. casei, y Lb. fermentum. La flora predominante en la fermentación de los productos cárnicos está también constituida por Lactobacillus y Pediococcus. Los fermentos lácticos presentan una gran importancia en la industria alimentaria, los fermentos comerciales disponibles son, según le producto indus-

122 Procesos de conservación de alimentos trial a obtener, fermentos mesofilos y fermentos termófilos. Los mesofilos están constituidos esencialmente por algunos Leuconostoc (Ln. citrovorum, Ln. dextranicum) y algunos Lactobacillus (Lb. lactis y cremoris). Son utilizados particularmente para la elaboración de quesos frescos, de pasta blanda, de pasta prensada, quesos azules y algunas leches fermentadas. Los fermentos termófilos incluyen la especie Sc. thermophillus y los Lactobacillus (Lb. delbrueckii, subespecie bulgaricus, Lb. lactis, Lb. helveticus y Lb. acidophilus), se utilizan en la elaboración del yogur, otras leches fermentadas y en los quesos de pasta cocida.

Bibliografía de la Parte Segunda

123

BIBLIOGRAFÍA Bastasin, P. y Ceresa, L. (1991). “Industrie Agroalimentari”. Franco Lucisano Editore. Bourgeois, C.M. (1996). “Microbiologie alimentaire. Vol 2. Aliments fermentés et fermentations alimentaires”. Tec-Doc. Lavoisier. París. Kyzlink, V. (1990) “Principles of food preservation”. Elsevier. Amsterdam. Leveau, J. y Bouix, M. (1993). “Microbiologie industrielle. Les micro-organismes d´intérêt industriel”. Tec-Doc. Lavosier. París. Thorne, S. (1987). “Developments in Food Preservation-4”. Elsevier Applied Science. London. Usseglio-Tomasset, L. (1998). “Química enológica”. Ed. Mundi-Prensa. Madrid. Ward, O.P. (1989). “Fermentation Biotechnology. Principles, Processes and Products” Open University Press. Milton Keynes.

PARTE III

CONSERVACIÓN POR CALOR

CAPÍTULO CUARTO

Fundamentos de los tratamientos térmicos 1. INTRODUCCIÓN Bajo el título de Tratamientos Térmicos se suelen englobar todos los procedimientos que tienen entre sus fines la destrucción de los microorganismos por el calor. Por lo tanto nos estamos refiriendo tanto a la Pasteurización y a la Esterilización cuya finalidad principal es precisamente esta destrucción microbiana, como al Escaldado y a la Cocción, procesos en los que también se consigue una cierta reducción de la flora microbiana presente, pero que tienen otros objetivos principales. Esto es así, porque un tratamiento térmico, junto a su capacidad de destrucción microbiana, tiene también una acción sobre los demás componentes del alimento: enzimas, proteínas, vitaminas, etc. que llega a afectar a sus propiedades físicas: color, forma, consistencia, etc. Dada la complejidad de la acción de los tratamientos térmicos sobre los alimentos, será necesaria su optimización de forma que se obtengan en cada caso los resultados buscados. Aunque el principal objetivo sea la destrucción de los microorganismos, no hay que olvidar que a la vez ocurrirán otros procesos, unos deseables (destrucción enzimática, ablandamiento de los tejidos, mejora de la digestividad, etc.), que pese a ello se deberán controlar para que no produzcan efectos excesivos, y otros menos deseables, pero inevitables en algún grado (destrucción de nutrientes, pérdida de cualidades organolépticas: color, aroma, etc.). Un tratamiento térmico debe ajustarse de forma que se consigan los resultados deseables y se minimicen los indeseables, lo que inevitablemente llevará a elegir unas condiciones que establezcan un compromiso entre unos y otros que conduzca a un resultado global satisfactorio. De lo anteriormente expuesto se desprende la necesidad de un conocimiento detallado de la actuación del calor sobre los microorganismos y sobre los demás constituyentes de los alimentos, con el fin de poder optimizar el proceso para obtener los resultados buscados en cada caso.

128 Procesos de conservación de alimentos

2. CINÉTICA DE LA DESTRUCCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS 2.1. EFECTO DEL TIEMPO DE PROCESO Los primeros estudios de la destrucción de los microorganismos por el calor se deben a Bigelow (1921) y a Ball (1923), que desarrollaron la teoría de la evaluación del procesado térmico con respecto a la muerte o inactivación de los microorganismos. Más tarde, Gillespy (1946), Jakobsen (1954) y Stumbo (1973) determinaron que la destrucción térmica de los microorganismos se puede explicar de acuerdo con un proceso estadístico. El concepto básico de esta teoría es que los microorganismos y sus esporas mueren a cualquier temperatura, pero que cuanto mayor sea esta temperatura, mayor será la probabilidad de que tenga lugar la muerte. La probabilidad de cada espora de escapar a la destrucción no cambia con el tiempo, y define la resistencia térmica de un determinado microorganismo a una temperatura concreta. Si se denomina P a la probabilidad de escapar a la muerte por unidad de tiempo, de un microorganismo expuesto a una temperatura determinada, se tendrá que para t unidades de tiempo esta probabilidad valdrá Pt. Considerando que inicialmente existen N esporas de idéntica resistencia térmica, entonces el número de supervivientes después de un tratamiento que se prolongue durante un tiempo t, vendrá expresado por la ecuación: S = N · Pt

[1]

Tomando logaritmos decimales: log S = log N + t log P De acuerdo con lo anterior, la destrucción de los microorganismos puede representarse por una ecuación logarítmica, y si se representa el logaritmo de los supervivientes (en ordenadas) contra el tiempo (en abcisas), se obtendrá una curva de pendiente: d (log S) = log P dt que es evidentemente constante, por lo que la curva es, en este caso, una recta. Como la probabilidad, P, de sobrevivir al tratamiento toma valores comprendidos entre 0 y 1, su logaritmo será negativo, luego la recta en cuestión tendrá la pendiente negativa, como puede verse en la gráfica 1.

Fundamentos de los tratamientos térmicos

129

Gráfica 1.–Curva de supervivencia teórica para un determinado microorganismo a una temperatura concreta.

Para la construcción de esta gráfica se ha partido de 5 muestras con una población inicial de 105 esporas, que se han sometido a tratamientos de tiempos crecientes a una temperatura constante de 110ºC, representándose los logaritmos de los supervivientes frente a los tiempos correspondientes. Los puntos se ajustan a una recta cuya ecuación se presenta en la citada gráfica. Si se hace: log P = –

1 D

O lo que es lo mismo, se denomina D al tiempo necesario para que la recta recorra un ciclo logarítmico (una unidad en ordenadas), se tendrá que: log S = log N –

t D

que en la forma exponencial quedaría: S = N · 10

–t D

[2]

130 Procesos de conservación de alimentos D se conoce como el tiempo de reducción decimal y se expresa usualmente en minutos. En el ejemplo representado en la gráfica D=

1 = 2,67 min. 0,3704

Ya que el parámetro D es un tiempo, se podrá expresar en función de él la duración total del tratamiento: t = n · D, siendo por lo tanto n el número de reducciones decimales que se aplican con un determinado tratamiento térmico. Si se observan las ecuaciones [1] y [2], se verá que es cierto que:

t

P = 10

–t D

De esta forma, cuando se aplique una reducción decimal (n = 1), se tendrá que t = D y entonces: P t = PD = 10

–D D

= 10 –1 = 0,1

Después de este tratamiento se puede esperar que sobrevivan un 10% de los microorganismos iniciales, mientras que si el tratamiento fuera de n = 2:

P t = P 2D = 10

– 2D D

= 10 –2 = 0,01

existiría la probabilidad de que sobrevivieran un 1% de los microorganismos iniciales. El parámetro D caracteriza la termorresistencia de una especie de microorganismo definida a una determinada temperatura y su significado práctico es el siguiente: • Cuando se mantiene una suspensión de esporas a una temperatura constante durante un tiempo de D minutos, se destruye el 90% de la población inicial; si se alarga el tratamiento durante otros D minutos, se destruirá el 90% de la población residual y así sucesivamente. • Conociendo el valor del parámetro D de un microorganismo a una temperatura definida y el número de reducciones decimales deseadas, se podrá determinar cual será la duración del tratamiento a aplicar a esa temperatura. Como existe una relación logarítmica entre los supervivientes y el tiempo de tratamiento nunca podremos garantizar la destrucción total de los microorganismos presentes en un alimento, ya que la curva representada en coordena-

Fundamentos de los tratamientos térmicos

131

das decimales es asintótica con el eje de tiempo, por lo que será necesario que transcurra un tiempo infinito para que el número de supervivientes sea cero. Si se pretenden producir alimentos sin comprometer la salud pública, será necesario que la probabilidad de supervivencia aceptada para los microorganismos patógenos sea muy baja. Para alimentos poco ácidos se recomienda que esta probabilidad sea de 10-12 o mayor, lo que corresponde a un tiempo mínimo de proceso t = 12D (con el que se consigue un 99,9999999999% de destrucción de los microorganismos iniciales). Es necesario tener bien presente que el nivel de infección del que se parta N es muy importante, porque como se ve en la ecuación [2] cuanto mayor sea este valor quedarán más microorganismos supervivientes para unos valores dados de t y D. 2.2. EFECTO DE LA TEMPERATURA DE PROCESO Si la experiencia representada en la gráfica 1 se repite a diferentes temperaturas, se podrán trazar las rectas que permitan calcular el valor de la reducción decimal D para cada una de estas temperaturas, como puede verse en la gráfica 2. Es evidente que cuanto mayor sea la temperatura menor será el valor de la reducción decimal: es necesario menos tiempo para conseguir la destrucción del 90% de los microorganismos iniciales, ya que como puede verse al incrementarse la temperatura se incrementa la pendiente de las curvas conseguidas.

Gráfica 2.–Curvas de reducción decimal a distintas temperaturas.

132 Procesos de conservación de alimentos En los ejemplos de la gráfica se puede ver que : D100 =

1 = 26,3 minutos 0,038

D110 =

1 = 2,67 minutos 0,3704

D115 =

1 = 0,85 minutos 1,1765

Si se representan estos valores frente a las temperaturas a las que han sido obtenidos, en un papel semilogarítmico, se comprobará que también se ajustan a una recta, como puede verse en la gráfica 3. Del mismo modo que se obtuvo el parámetro D, se podrá en este caso conseguir otro parámetro “z” (en grados centígrados) cuyo valor corresponderá también al paso de la recta por un ciclo logarítmico, o lo que es lo mismo, al valor de la inversa de la pendiente de la recta cambiada de signo, que en el ejemplo que se viene exponiendo sería: 1 z = 0,0995 = 10 º C

Gráfica 3.–Obtención del parámetro z a partir de los parámetros D.

Fundamentos de los tratamientos térmicos

133

El parámetro z define la termorresistencia característica de cada especie de microorganismo en un medio de composición definida y su significado práctico es el siguiente: • Cuando se eleva la temperatura de tratamiento en z grados, el tiempo requerido para conseguir la misma destrucción térmica es 10 veces menor. La ecuación de la recta representada en la gráfica podrá escribirse también, como ya se ha visto: log D = a –

T z

Como t = n · D, se podrá generalizar la ecuación anterior: log t = A –

T z

[3]

donde A = a + log n Que es la ecuación del conjunto de puntos (parejas de tiempos y Temperaturas) que presentan la misma letalidad frente al microorganismo considerado, en el medio determinado. De la misma forma que se ha construido la gráfica anterior para un tratamiento en el que t = D, se podrán construir otras con distintas letalidades, que evidentemente serán paralelas a la primera, y tanto más separadas del eje de temperaturas cuanto mayor sea la letalidad correspondiente a cada proceso, como se muestra en la gráfica 4:

Gráfica 4.–Curvas TDT.

134 Procesos de conservación de alimentos La letalidad de todos los puntos que componen cada recta es la misma, por lo tanto, para cada tratamiento se dispone de infinitas parejas de tiempo-Temperatura con la misma efectividad frente al microorganismo estudiado. Cada una de ellas proporcionará un tratamiento térmico equivalente, pero de condiciones tiempo-temperatura distintas. Por lo tanto, la letalidad de un tratamiento vendrá definida por las coordenadas del punto (t – T) y la pendiente de la curva (z) que indica el microorganismo que se emplea como patrón. De esta forma será fácil encontrar tratamientos equivalentes a otro conocido, a temperaturas o tiempos distintos de los empleados en el tratamiento de referencia. Si partimos de la ecuación general (3) y consideramos las coordenadas de un punto conocido t* y T*, para este punto será cierto que: log t* = A –

T* z

Despejando A y sustituyéndo en [3] tendremos: log t = log t* +

T* T T – T* – = log t* – z z z

log t – log t* = –

t = 10 t*

T – T* z

– (T – T*) z

t = t* · 10

– (T – T*) z

Esta ecuación permite encontrar un tratamiento equivalente a otro conocido, modificando la temperatura o el tiempo de tratamiento, siempre y cuando se conozca el valor del parámetro z del microorganismo que se elige como referencia. Como se ha visto con anterioridad que el parámetro D es un tiempo particular, se podrá también emplear la ecuación anterior para calcularlo a cualquier temperatura, partiendo de su valor a una temperatura conocida y del valor del parámetro z del microorganismo correspondiente: D = D* · 10

– (T – T*) z

[4]

Fundamentos de los tratamientos térmicos

135

2.3. MODELOS MÁS COMPLEJOS DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA Hasta este momento se ha aceptado que la relación entre el logaritmo de los supervivientes y el tiempo es lineal, y esto no siempre es cierto. En la gráfica 5 se muestran algunos de los diferentes tipos de curvas de supervivencia encontrados habitualmente en los trabajos experimentales.

Gráfica 5.–Curvas de supervivencia no lineales.

La obtención de curvas del tipo C se puede deber a la presencia de microorganismos con distintas termorresistencias, en este caso es conveniente trabajar con la termorresistencia calculada a partir de la última parte de la curva, donde se obtienen valores de D mayores. También es bastante usual la obtención de curvas que presenten un hombro inicial, como el tipo A de la gráfica. Una explicación para esta forma podría ser la existencia de un primer periodo de activación de los microorganismos, seguido de otro de inactivación constante. La existencia de curvas de estos tipos no invalida lo dicho anteriormente, ya que su ajuste a una recta proporciona, la mayoría de las veces, resultados satisfactorios para el trabajo industrial, sobre todo si nos movemos en niveles de temperatura moderados.

136 Procesos de conservación de alimentos

3. ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS Como se ha dicho anteriormente, la aplicación de calor sobre los alimentos no solamente va a afectar a su carga microbiana, sino que también actuará sobre el resto de sus propiedades. Al efecto del calor sobre la flora del alimento se le denomina destrucción térmica, porque éste es el único efecto buscado, mientras que al efecto sobre el resto de sus componentes se le denomina cocción, se aplica para hacer los alimentos apropiados para el consumo y su complejidad es mucho mayor. Por ejemplo, una carne se cuece, mediante un proceso de asado, para conseguir que tenga un aspecto más atrayente, un gusto más agradable y, posiblemente, una digestión más fácil. Vamos a ver cual es la acción del proceso de cocción sobre los constituyentes de los alimentos. 3.1. ACCIÓN SOBRE EL AGUA DE CONSTITUCIÓN El agua es el componente mayoritario de los alimentos en sus dos estados: agua ligada a otros constituyentes y agua libre, móvil, de volumen y estructura variables y fácil de extraer cuanto menos en parte. La elevación de la temperatura acelera la evaporación superficial de este agua, hasta que se produce una verdadera vaporización a 100ºC. Cuando se produce este fenómeno tiene dos consecuencias esenciales: • Ralentiza los intercambios térmicos, ya que absorbe una gran cantidad de calor • Es el origen de la desecación superficial. La cocción favorece también la conversión en agua libre de una cierta cantidad de agua ligada. Este fenómeno aumenta con la temperatura de calentamiento. Para las carnes comienza a los 45ºC y es sensiblemente importante a los 60ºC. Esta es la razón por la que la exudación de la carne aumenta en grandes proporciones entre 60 y 75ºC. Por lo tanto, la carne no conservará su jugosidad más que si por una técnica de cocción apropiada se limita la pérdida del agua que ha pasado a ser muy móvil. 3.2. ACCIÓN SOBRE LOS LÍPIDOS El primer efecto que se produce sobre las grasas con un tratamiento térmico es su fusión. La fusión de las grasas es variable en función de sus características fisico-químicas y estructurales. En el caso de la carne de cerdo, comienza a los 35-38ºC y viene acompañada de cambios de posición: las grasas fundidas impregnan las zonas superficiales deshidratadas y les devuelven su untuosidad inicial.

Fundamentos de los tratamientos térmicos

137

Además, el aumento de temperatura favorecerá la oxidación. La oxidación provoca la aparición de peróxidos que por escisión dan compuestos responsables del aroma y del sabor. Cuando la temperatura de cocción es demasiado elevada pueden formarse compuestos amargos, como la acroleína que comprometen definitivamente el sabor de la carne y aumentan su dureza. 3.3. ACCIÓN SOBRE LOS GLÚCIDOS El almidón es sensible al calor en medio acuoso: se transforma en engrudo, red de polímeros lineales que se enriquece en agua y que puede impregnar las estructuras vecinas. Se utiliza por sus efectos de hinchado y como ligante, por ejemplo en las salsas. La gelificación comienza de 52 a 75ºC, en función del origen del glúcido. En el caso de la cocción de ciertas legumbres, se pueden necesitar temperaturas bastante más elevadas. La cocción puede también provocar y acelerar las reacciones de Maillard, con las que se produce la aparición de diversas sustancias aromáticas (véase Capítulo I). Por último, la descomposición térmica de los azúcares (caramelización) no se produce más que a temperaturas muy altas, del orden de 150 a 164ºC, y tiene un interés muy limitado. 3.4. ACCIÓN SOBRE LAS PROTEÍNAS Al considerar las proteínas de origen animal, por regla general se constata que a medida que se va elevando la temperatura se produce primero la activación de ciertas enzimas y, a partir de un determinado umbral térmico, la desnaturalización de las proteínas. – La activación de las enzimas se manifiesta entre 30 y 50ºC y afecta principalmente a lipasas y proteasas. A estas temperaturas el flavor y la terneza de las carnes se incrementan. – La desnaturalización a temperaturas superiores se traduce por: – • una pérdida de actividad biológica, sobre todo enzimática pero también antigénica cuyo estudio posterior permite conocer el grado de calentamiento aplicado, – • un cambio de solubilidad: formación de gel más o menos homogéneo, – • un cambio de color: la carne parece gris por transformación de la mioglobina en una proteína cromófora, – • un cambio de estructura, con retracción más o menos importante de las proteínas fibrilares, – • una modificación de la sensibilidad a las enzimas: las proteínas desnaturalizadas son más sensibles a los jugos digestivos.

138 Procesos de conservación de alimentos La desnaturalización de las proteínas solubles comienza entre 50 y 55ºC, es prácticamente total entre 66 y 70ºC y se completa a 80ºC. La desnaturalización de las fibras musculares se traduce por su acortamiento y por una disminución del poder de retención de agua. En términos más simples, por una exudación que se incrementa con el calentamiento. La acción del calor sobre el colágeno se traduce en un primer momento por un acortamiento de las fibras, perceptible desde los 55ºC en la carne de ternera y a temperaturas más altas en los animales adultos (77ºC). A continuación, el colágeno se solubiliza muy rápidamente, hasta el 40%, en los animales jóvenes, y con más dificultad en los adultos, donde la solubilización solo llega al 5%. A partir de 70ºC el colágeno se hincha y se transforma en gelatina a 74ºC. 3.5. ACCIÓN SOBRE LAS VITAMINAS Las vitaminas son poco sensibles a las temperaturas de cocción, salvo la vitamina B1. Por contra el calor puede acelerar los fenómenos de oxidación cuando los alimentos se cuecen sin protección. Este es el caso de las vitaminas A, E, B2 y C. Aunque las pérdidas que se derivan no son tan importantes que puedan producir carencias entre los consumidores. 3.6. ESTUDIO EN CONJUNTO: EFECTO DE LA COCCIÓN SOBRE LAS PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS DE LOS ALIMENTOS 3.6.1. Productos de origen animal: carnes Los tratamientos térmicos afectan al color de las carnes. El color marrón dorado aparece en la superficie de las carnes cocidas en seco, al aire o con aporte de grasas, llevadas rápidamente a alta temperatura. Se debe a la fusión y pirólisis de las grasas, a la carbonización de las proteínas, a la caramelización de los azúcares y a las reacciones de Maillard. El color marrón grisáceo está ligado a la desnaturalización de la mioglobina. Se observa en el centro de todas las piezas de carne cocidas y en la superficie de las cocidas en agua. El grado de cocción puede ser apreciado por el color obtenido: el centro de un filete “sangrante” ha alcanzado una temperatura inferior a los 60ºC, mientras que el del filete cocido “al punto” habrá llegado a los 65ºC y el del “bien hecho” por encima de los 75ºC. Estas modificaciones del color están ligadas a las de jugosidad y de terneza. Las modificaciones de la forma y del volumen están relacionadas con el acortamiento de las proteínas y se acompañan de exudación. La cocción se traduce por una pérdida más o menos importante de jugo, resultante de diversos mecanismos de los que ya se han citado algunos. Además de la pérdida de peso, que puede sobrepasar el 33%, la exudación hace disminuir la terneza, vuelve la carne más seca a la degustación y arrastra una parte de las sustancias solubles responsables del aroma de la carne.

Fundamentos de los tratamientos térmicos

139

La terneza es función de la temperatura alcanzada durante la cocción. Entre 45 y 60ºC la terneza aumenta gracias a la activación de las catepsinas. Estas temperaturas deben mantenerse bastante tiempo para obtener un efecto enzimático apreciable. Este efecto es la base de las técnicas de cocción prolongada a baja temperatura. Entre 64 y 72ºC la terneza disminuye. En el caso de ternera la pérdida de terneza comienza a 55ºC. Este fenómeno de endurecimiento rápido se debe al efecto combinado de la desnaturalización de las proteínas, del acortamiento de las fibras musculares y del tejido conjuntivo y a la pérdida de agua que acompaña a los fenómenos precedentes. Por encima de los 72ºC la terneza se mejora progresivamente, siendo la importancia de la ganancia obtenida muy variable según los distintos tipos de carne. Son las carnes más ricas en tejidos conjuntivos las que se ven más beneficiadas por este proceso. El incremento de la terneza aparece como consecuencia de la solubilización del colágeno, de su gelificación, y será necesario el transcurso de un cierto tiempo para obtenerlo. Las modificaciones del flavor provienen de la degradación de los lípidos, de los glúcidos y de los prótidos, y de la liberación a partir de estos precursores de los aromas de compuestos odoríferos o sápidos. Estas reacciones de degradación (reacciones de Maillard por ejemplo) no se producen a una velocidad notable más que por encima de los 60-70ºC. La carne deberá además mantener en su seno estos compuestos aromáticos durante el proceso de cocción para que sean perceptibles con posterioridad por el consumidor. 3.6.2. Productos de origen vegetal En estos productos la cocción provoca modificaciones de color, de consistencia y de aroma. La clorofila desnaturalizada en presencia del aire sufre una oxidación que mantiene una coloración verde, mientras que el tratamiento al vacío provoca el pardeamiento del color. Para las legumbres y los cereales ricos en almidón, la cocción en medio húmedo provocará un ablandamiento más o menos intenso. La aparición del aroma de numerosos productos vegetales se debe no solamente a la acción enzimática, si no también a la liberación de pequeñas cantidades de ácido sulfhídrico, que pueden jugar el papel de potenciador de sabor mientras no se presente en exceso. 3.7. CINÉTICA DE LOS CAMBIOS EN LOS CONSTITUYENTES DE LOS ALIMENTOS Por regla general, las reacciones responsables de los cambios encontrados en los componentes de los alimentos cuando se someten a un procesado térmico, obedecen a una cinética similar a la descrita para la destruc-

140 Procesos de conservación de alimentos ción térmica de microorganismos. Por lo tanto podremos encontrar los parámetros D y z correspondientes a la destrucción de un componente termolabil (inactivación de una enzima, desnaturalización de una proteína, destrucción de una vitamina, decoloración o pardeamiento, cambio en la textura, etc.). Generalmente estas reacciones son menos termodependientes que la destrucción térmica de microorganismos, por lo que será posible encontrar una pareja tiempo-Temperatura que consiga el deseado efecto germicida a la vez que la preservación de la calidad nutricional y organoléptica del alimento. En las tablas 1 y 2 se recogen los valores de los parámetros D y z para algunos microorganismos y reacciones secundarias. Tabla 1. Parámetros cinéticos de algunos microorganismos Organismo

Temp. (ºC)

D (seg)

z (ºC)

Referencia

• Bacillus stearothermophilus TH34 (en agua)

120

1.000

7,3

Davies et al. (1977)

FS 7954 (en tampón fosfato)

121

6

8,3

Wang et al. (1964)

NCIB 8919 (en agua)

121

186

7,0

Briggs (1996)

• Bacillus subtilis 5230 (en agua)

121

6,0

8,3

Jacobs et al. (1973)

5230 (en tampón fosfato)

121

21,9

8,8

Wang et al. (1964)

Tipo A (en agua)

121

6,0

8,3

Jacobs et al. (1973)

A35B (en tampón fosfato)

121

19,2

10,8

Knock y Lambrechts (1956)

213B (en vegetales)

121

6,6

9,8

• Clostridium botulinum

213B (en tampón fosfato)

110

62A (en puré de guisantes)

121

96

Perkin et al. (1975)

10,3

Matsuda et al. (1981)

5,34

8,3

Stumbo et al. (1950)

4,4

6,9

Xezones et al. (1965)

• Clostridium thermosaccharolyticum S9 (en agua)

132

• Desulfotomaculum nigrificans ATCC7946 (en al. infantiles)

121

1.550

6,7

Donnelly y Busta (1980)

55

402

3,6

Reichert (1979)

• Escherichia coli Agua

Fundamentos de los tratamientos térmicos

141

Tabla 2. Parámetros cinéticos de algunos atributos de calidad Producto/Atributo

Temp. (ºC)

D (10–3 seg)

z (ºC)

Referencia

• Vitaminas Vitamina A

122

2,4

23

Wilkinson et al. (1981)

Vitamina B1

150

0,83

22

Feliciotti y Esselan (1957)

Vitamina B6

121

45

Navankattusas y Lund (1982)

24,0

Ácido pantoténico

121,1

138,0

35,8

Hamm y Lund (1978)

Vitamina C

121,1

50

18,2

Lathrop y Leung (1980)

27,8

Adams (1978)

• Enzimas Peroxidasa

120

0,83

Pectinesterasa

80

16,7-3,7

7,8

Massaguer et al. (1994)

Polifenoloxidasa

89

0,1

7,8

Dagerskog (1977)

Alubias

110

84,9

21,3

Van Loey et al. (1955)

Zanahorias

121,1

0,59

47

Huang y Bourne (1983)

Judías verdes

121,1

0,12

16,9

Tijskens y Schijvens (1987)

Guisantes

121,1

0,14

31,8

Hayakawa et al. (1977)

Patata

100

0,048

17,0

Dagerskog (1977)

Arroz

75

4,6

35,2

Suzuki et al. (1976)

• Textura

• Color Pigmentos verdes Espárrago

121,1

1,02

41,6

Hayakawa y Timbers (1971)

Judías verdes

121,1

1,26

38,8

Hayakawa y Timbers (1971)

Guisantes

121,1

1,5

39,4

Hayakawa y Timbers (1971)

Espinacas

148,8

0,21

51,1

Gupta et al. (1964)

121

7,2

54,7

Mishkin y Saguy (1982)

130

0,012

26,7

Kessler y Fink (1986)

(Pigmentos rojos) Uva (Pardeamiento) Leche

Como se puede apreciar en las dos tablas citadas, existen discrepancias en la cuantificación de los parámetros cinéticos según los distintos autores y las distintas condiciones en las que han sido evaluados. Dejando aparte los posibles errores de método existentes entre unos y otros autores, existe una serie de factores que contribuyen a las variaciones encontradas en los resultados experimentales para un mismo microorganismo: la

142 Procesos de conservación de alimentos concentración inicial de células o esporas, las condiciones previas de vida de los microorganismos, y la composición del sustrato en que se produce el tratamiento térmico. Se puede asegurar que cuanto mayor sea el número de microorganismos presentes en el producto, más intenso deberá ser el tratamiento térmico para conseguir su destrucción, por lo que se encontrará que su termorresistencia es mayor. En cuanto a las condiciones previas, se puede decir que las bacterias se harán más resistentes cuanto más apropiado haya sido el medio de cultivo para su crecimiento, que su termorresistencia aumentará con la temperatura de incubación (suele ser máxima cuando ésta se acerca a la máxima de crecimiento), y que variará con la edad o fase de crecimiento. La termorresistencia de las fases vegetativas varía con la fase de crecimiento, siendo mayor en las últimas etapas de la fase de latencia y menor durante la fase de crecimiento logarítmico (véase Capítulos II y III). En el caso de las esporas, la termorresistencia varía con la edad, siendo menor en las esporas jóvenes que en las maduras. Por último, también es muy importante la composición del sustrato en el que se realiza el tratamiento térmico. La termorresistencia será más elevada cuanto menor sea la actividad de agua del medio. En general tanto las esporas como las bacterias son más resistentes al calor cuando se encuentran en un sustrato de pH neutro o próximo a la neutralidad. Por lo tanto un aumento de la acidez o de la alcalinidad del medio acelera la termodestrucción, siendo más acentuado el proceso cuando el cambio se produce hacia la acidez que hacia la alcalinidad. Esta es una de las razones por las que los alimentos se suelen clasificar según su pH antes de determinar el tratamiento térmico que deben recibir. Habitualmente se emplean dos clasificaciones de los alimentos de acuerdo con su pH, una muy sencilla que únicamente distingue dos grupos: alimentos con un pH mayor o menor de 4,5; y otra algo más explícita que clasifica los alimentos en cuatro grupos: • Alimentos de acidez baja: pH>5,3 (guisantes, carnes, leche…) • Alimentos de acidez media: 5,3>pH>4,5 (espinacas, espárragos…) • Alimentos ácidos: 4,5>pH>3,7 (tomates, pera, piña…) • Alimentos muy ácidos: pH cd, ya que las líneas de entropía constante, siguiendo las cuales se produce la compresión, no son paralelas, separándose más al incrementarse la presión. Por lo tanto la eficiencia del ciclo de doble compresión es mayor que la del ciclo de simple compresión ya que: εd = εs =

qe qw1 + qw2 qe qw’

por lo tanto

εd > εs Con la doble compresión también se ha conseguido que la temperatura de descarga del compresor de alta sea menor que la del sistema de simple compresión, luego se han solucionado los dos problemas que planteaba la obtención de temperaturas muy bajas.

254 Procesos de conservación de alimentos El enfriamiento de frigorígeno vapor entre las dos etapas de compresion puede realizarse por medio de un cambiador de calor en el que se evapora una parte del frigorígeno líquido, como se puede observar en el esquema de la figura 3.

Figura 3.–Esquema de un circuito frigorífico de doble compresión con cambiador de calor

La representación en el diagrama P-h de este ciclo se muestra en la gráfica 5.

Gráfica 5.–Representación del ciclo de doble compresión con cambiador de calor.

Utilización de bajas temperaturas en la conservación de alimentos

255

El enfriamiento del vapor obtenido del compresor de baja desde el punto 2 al 3 se produce a expensas de la evaporación de parte del líquido, por lo que todo el caudal másico bombeado por el compresor de baja no pasará por el evaporador y no se empleará en la producción directa de frío, por lo que la eficiencia de este ciclo será menor que la esperada. Para conseguir un incremento en la eficiencia del ciclo, en lugar de un cambiador de calor se debe emplear un depósito intermedio en el que estén en contacto los dos estados (líquido y vapor) del frigorígeno, como se ve en la figura siguiente:

Figura 4.–Esquema de un ciclo de doble compresión con inyección total de refrigerante.

A la salida del condensador, el líquido frigorígeno sufre una expansión parcial hasta una presión intermedia, a la que se encuentra el recipiente. El líquido saturado que se encuentra en dicho recipiente llega a la segunda válvula de expansión donde su presión cae hasta la de evaporación y pasa al evaporador, donde tiene lugar su vaporización completa. Los vapores, comprimidos hasta la presión intermedia, que salen del compresor de baja, son llevados a barbotear en el líquido que se encuentra en el depósito intermedio, donde se enfrían y en condiciones de saturación son aspirados por el compresor de alta, del que se obtienen a la presión de condensación. En la gráfica 6 se muestra la representación de este ciclo en el diagrama P-h.

256 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 6.–Representación del ciclo de doble compresión con inyección total de frigorígeno en el recipiente intermedio.

Puede observarse que la eficiencia de este ciclo es considerablemente mayor que la del ciclo representado en la gráfica 5, ya que se ha producido un incremento del título del frigorígeno a su entrada al evaporador, lo que lleva directamente a que se obtenga una mayor producción frigorífica específica (qe). 2.2. SISTEMAS CRIOGÉNICOS Se conocen como sistemas criogénicos aquellos que utilizan para la producción de frío líquidos que se vaporizan o sólidos que se subliman en un proceso abierto, es decir que el vapor producido se vierte a la atmósfera sin que se plantee su utilización en circuito cerrado, como en los sistemas mecánicos que se han visto en el apartado anterior. Los frigorígenos empleados en los sistemas criogénicos deben cumplir por ello las siguientes condiciones: • poder ser liberados a la atmósfera sin que esto suponga un riesgo para los usuarios ni para el medio ambiente, • que su ebullición o sublimación se produzca, a presión atmosférica, a una temperatura suficientemente baja para que sea posible su utilización, en procesos de refrigeración y de congelación, con unos saltos térmicos que aseguren una eficiente transmisión de calor, • que su costo sea razonablemente pequeño para que el proceso de enfriamiento o congelación sea rentable.

Utilización de bajas temperaturas en la conservación de alimentos

257

Se dispone de tres productos que cumplen estas condiciones: el nitrógeno y el anhídrido carbónico líquidos y el anhídrido carbónico sólido (hielo seco o nieve carbónica). Tabla 1. Propiedades físicas de los agentes criogénicos Condiciones en el cambio de estado Producto

Calor específico

Temperatura

Calor latente

Nitrógeno líquido

–195,8 ºC

199 kJ.kg–1

1,1 kJ.kg–1.K–1

Anh. carbónico sólido

–78,5 ºC

572 kJ.kg–1

0,83 kJ.kg–1.K–1

Como se ve en esta tabla, existen diferencias entre los productos en cuanto a la temperatura más baja de utilización, así como en cuanto al calor tomado en el cambio de estado, por lo tanto, la elección de uno u otro agente criogénico se hará considerando el proceso en el que va a utilizarse y el costo de la operación. Cuando uno de estos agentes criogénicos se emplee en un proceso de refrigeración, la elección se basará fundamentalmente en criterios económicos, de compatibilidad con el producto a enfriar y de facilidad de utilización, ya que la temperatura a la que se produce el cambio de estado no será en ningún caso un factor limitante. Si la utilización se refiere a un proceso de congelación, el empleo de nitrógeno líquido proporcionará un mayor salto térmico, por lo que los tiempos necesarios para el proceso serán menores, lo que en determinados casos puede ser una característica a valorar. El empleo industrial de estos agentes criogénicos es sencillo. El nitrógeno líquido se pulveriza directamente sobre los productos a tratar (en el caso de procesos de congelación) o sobre el aire impulsado hacia dichos productos si se trata de procesos de refrigeración o de congelación de pequeña capacidad. La utilización de la nieve carbónica también es sencilla, ya que basta situarla entre los productos a enfriar y un equipo adecuado de ventilación, que se encargará de que el aire interior del recinto circule sobre el hielo carbónico enfriándose antes de llegar al producto, consiguiéndose así la reducción de temperatura buscada. Los equipos utilizados en estos sistemas de enfriamiento son pues relativamente sencillos, por lo que la inversión inicial será moderada, teniendo una mayor incidencia en el costo total del proceso el valor del agente criogénico utilizado. Con estos sistemas se consiguen velocidades de enfriamiento muy elevadas. Si se emplea la pulverización directa de nitrógeno líquido sobre el producto, se consigue un coeficiente de película muy alto, debido a que la ebullición del criogénico se produce directamente sobre la superficie del alimento. Por lo tanto la congelación de la capa superficial del producto será prácticamente instantánea. Este es un efecto que se busca en algunas aplicaciones, ya que así se evita, por ejemplo, la deshidratación de los productos en el proceso de congelación.

258 Procesos de conservación de alimentos En el caso de que se utilice una corriente de aire para aplicar el agente criogénico vaporizado, la velocidad de enfriamiento será función del salto térmico, que podrá ser regulado a valores muy altos, y de la velocidad con la que los ventiladores impulsen los vapores contra el producto. En cualquier caso, la velocidad de enfriamiento o congelación alcanzadas pueden ser muy altas, siendo ésta una de las ventajas más claras de estos sistemas. La producción de frío por sistemas criogénicos no tiene por qué competir con el frío producido por sistemas mecánicos en todas las ocasiones. La combinación de frío criogénico y mecánico permite conservar las ventajas de cada uno de estos sistemas: la economía de explotación del frío mecánico y la gran capacidad de transferencia térmica, casi instantánea, del frío criogénico. Una opción interesante, cuando se plantea la congelación de determinados productos, es comenzar por un proceso de congelación superficial por medio de un sistema criogénico y concluir la congelación en profundidad con un sistema mecánico. Este planteamiento puede ser válido para el tratamiento de frutas muy frágiles como fresas, frambuesas o moras, para productos de fácil adherencia entre sí o con el transportador del túnel de congelación, como ocurre con las gambas peladas, o en el caso de productos que sean muy sensibles a la pérdida de peso durante el proceso de congelación. En este último caso hay que tener en cuenta que la pérdida de peso conduce, además de a la pérdida de calidad en el producto, al escarchado excesivo de la superficie de evaporación, con lo que se reduce de forma drástica la eficiencia del proceso de transmisión de calor. El producto endurecido en superficie se podrá distribuir con mayor facilidad en el equipo de frío mecánico en el que se completará la congelación con una mayor productividad y con un menor consumo energético que si toda la operación se realizara en este segundo equipo. Por último, hay que recordar que en los recintos en los que se produzca el enfriamiento o la congelación criogénica, la atmósfera natural va a ser sustituida por otra de nitrógeno o de carbónico, lo que podrá o no beneficiar al producto tratado. El nitrógeno es un gas inerte que no reacciona ni ataca a los productos tratados, ni a los materiales de embalajes y equipos. Sin embargo, la refrigeración de productos vivos (como lo son las frutas y las hortalizas) en el ambiente de nitrógeno estricto, y por lo tanto en anaerobiosis, que se consigue si no se aplican soluciones correctoras adecuadas, lleva a deterioros irreversibles en los productos refrigerados. Cualquier solución a este problema pasa por una pérdida importante de la eficiencia frigorífica del proceso. La utilización de anhídrido carbónico puede crear más problemas, ya que se disuelve fácilmente en agua, sobre todo a temperaturas bajas, dando reacción ácida, por lo que puede deteriorar los productos, envases o equipos empleados. La sensibilidad al carbónico de las distintas especies vegetales es una característica que se deberá tener en cuenta si se plantea su refrigeración por este medio, llevando cuidado de no sobrepasar las concentraciones máximas de este gas en el recinto refrigerado.

CAPÍTULO DÉCIMO

Refrigeración 1. OBJETIVOS DE LA REFRIGERACIÓN DE ALIMENTOS El objetivo general de la refrigeración de los alimentos es incrementar su vida útil, y en consecuencia incrementar sus posibilidades de conservación. Sin embargo podremos definir otra serie de objetivos particulares, característicos de los distintos tipos de alimentos. Desde el punto de vista de la refrigeración será interesante distinguir entre los alimentos que presenten una estructura organizada, como los tejidos vegetales y animales, y los que no la presentan, como es el caso de los zumos, la leche, etc. Son precisamente los alimentos con estructura definida para los que la refrigeración tendrá unos objetivos más específicos. 1.1. FRUTAS Y HORTALIZAS Las frutas y hortalizas son organismos vivos que deben mantenerse como tal durante el almacenamiento. Con la refrigeración de estos productos se consigue aminorar drásticamente: • su intensidad respiratoria • sus pérdidas de peso por transpiración • su producción de etileno • el desarrollo de microorganismos. Vamos a ver como actúa la refrigeración en cada uno de estos procesos. 1.1.1. Respiración La respiración es el proceso principal que transforma las reservas acumuladas en energía. Tal actividad se manifiesta por la emisión de calor, de anhí-

260 Procesos de conservación de alimentos drido carbónico y de vapor de agua, que se obtienen principalmente de la demolición de los azúcares en presencia de oxígeno. El comportamiento de las distintas especies de frutas y hortalizas es muy variable en lo que respecta a la intensidad respiratoria, pero en todas ellas el denominador común es la gran influencia de la temperatura sobre la intensidad respiratoria. Cuanto más baja sea la temperatura más reducido resulta este proceso vital, y en consecuencia, con más lentitud se producen los fenómenos de la maduración y de la senescencia. Por lo tanto, la conservación de frutas y hortalizas se podrá mejorar siempre que se reduzca a los niveles mínimos su intensidad respiratoria, sin provocar daños a los tejidos o provocarles la muerte. Dos son los límites térmicos a considerar en la refrigeración de frutas y hortalizas: • el punto de congelación, • la temperatura a la que aparecen daños por frío. La refrigeración se realizará hasta temperaturas próximas aunque superiores al punto de congelación. La congelación es un proceso que nada tiene que ver con el tema que nos ocupa, y que se describirá en el Capítulo XI. Se deberá vigilar la aparición de daños por frío en aquellas especies o variedades que sean susceptibles a estas fisiopatías, que se producen después de que el producto conservado se haya expuesto a una temperatura demasiado baja y en consecuencia haya sufrido un stres por frío. Los daños por frío se caracterizan por la aparición de manchas, oscurecimientos, depresiones superficiales, a las que antes o después acompañarán ataques de hongos. Tanto estas fisiopatías como los hongos que las acompañan se pueden manifestar durante la conservación o cuando ha concluido ésta y se ha llevado el producto a la temperatura ambiente. 1.1.2. Transpiración La permanencia de frutas y hortalizas a temperatura ambiente después de haber sido recolectadas, y haberse así interrumpido la absorción de agua a través de la planta, facilita la transpiración y en consecuencia la pérdida de agua en estado vapor, con la consiguiente pérdida de peso. La pérdida de agua es el resultado de la migración del vapor de agua de los espacios intercelulares, que están saturados, hacia el ambiente en el que se ha depositado el producto, a causa de la diferencia de presión de vapor entre los dos medios (en el ambiente la humedad relativa difícilmente superará el 50-60% ). La salida de este vapor de agua se producirá prioritariamente por las aberturas naturales presentes en la epidermis de las frutas y hortalizas: estomas y lenticelas. También puede producirse por las posibles lesiones o heridas que presente el producto, o incluso a través de la cutícula que nunca es completamente impermeable. Si la pérdida de peso supera unos ciertos niveles, específicos para cada producto, puede ser causa de daños irreversibles. La pérdida de peso produce

Refrigeración

261

en primer lugar pérdida de turgencia, y si se mantienen las condiciones que la propician se llegará a arrugamientos de la epidermis y hasta la aparición de manchas superficiales. Todo ello lleva a una depreciación de la calidad del producto que se suma a la pérdida directa de peso que se ha producido. La pérdida de agua por transpiración es proporcional a la diferencia entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y en la superficie del producto almacenado. Cuanto mayor sea la humedad relativa del ambiente menor será esta diferencia y por lo tanto menor será también la pérdida de peso. Hay que tener presente que la mayoría de frutas y hortalizas alcanzarán el equilibrio en un ambiente con una humedad relativa próxima al 97%, ya que su actividad de agua suele rondar el 0,97. El almacenamiento a humedades relativas tan altas solo es posible cuando tiene lugar a temperaturas bajas, ya que de otro modo la proliferación microbiana arruinaría el proceso de conservación. Por lo tanto, se podrán plantear almacenamientos a elevada humedad relativa cuando ésta vaya acompañada de una temperatura suficientemente baja que impida la multiplicación incontrolada de microorganismos. 1.1.3. Producción de etileno El etileno es una fitohormona que se encuentra en los tejidos de todos los vegetales, en sus raíces, tallos, hojas, frutos y flores. Estimula la maduración de los frutos climatéricos, desencadenando todas las reacciones que este proceso conlleva. Además es responsable de una gran cantidad de daños y problemas de deterioro de la calidad de las frutas, hortalizas y flores, tanto en los productos climatéricos en los que participa directamente en los procesos metabólicos, como en los no climatéricos en los que provoca solamente el cambio de color externo. Entre estos problemas podemos citar a modo de ejemplo: manchas en las lechugas, abertura en las inflorescencias de los bróculis, manchas en el exocarpo de las naranjas, sabor amargo de las zanahorias, ablandamiento de las actinidias, etc. Para que el etileno produzca su efecto es necesario que en los tejidos vegetales exista una concentración mínima de este gas. Esta concentración mínima así como la temperatura a la que comienza a actuar es una característica específica de cada producto. Sin embargo, dado que tanto la producción como la actuación del etileno dependen de la temperatura, el enfriamiento siempre será ventajoso para mantener inalterada la calidad, evitando los problemas producidos por este gas, a la vez que se retrasa la aparición de la madurez y de la senescencia. En la gráfica 1 se puede observar como afecta la temperatura a la formación de etileno en los tejidos del melocotón. A temperatura de refrigeración (2ºC), la concentración de etileno es mínima durante toda la conservación, lo que no ocurre cuando el melocotón se mantiene a las otras temperaturas. A 18ºC la formación de etileno es máxima en la primera semana, descendiendo a continuación, lo que indica que ha comenzado la senescencia. El máximo se

Etileno (microlitros/kg.h)

262 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 1.–Efecto de la temperatura de conservación sobre la formación de etileno en melocotones.

retrasa a la segunda semana para 15ºC y a la tercera para 10ºC, desapareciendo cuando la conservación se ha realizado a 2ºC. 1.1.4. Desarrollo de microorganismos Ya se ha indicado repetidas veces que un descenso de la temperatura limita las posibilidades de desarrollo de la mayoría de los microorganismos. En el caso de la conservación frigorífica de frutas y hortalizas, los microorganismos a considerar serán fundamentalmente hongos, muchos de los cuales serán capaces de continuar su desarrollo, aunque muy lentamente, a temperaturas próximas a 0ºC, como Botrytis, Penicilium, Monilia y Alternaria, podridos comunes en la conservación frigorífica de frutas. El efecto del frío será más evidente para Rhizopus nigricans y Trichothecium roseum, que suspenden su desarrollo a temperaturas inferiores a 5ºC, y cuyas esporas mueren después de dos días de permanencia a 0ºC. Estos últimos mohos podrán ser encontrados solo en la conservación de productos sensibles a los daños por frío. Por lo tanto, sea cual sea la temperatura de la conservación frigorífica, los productos almacenados estarán expuestos al ataque de los hongos capaces de desarrollarse en las condiciones de almacenamiento, teniendo en cuenta que la alta humedad relativa de las cámaras será un factor que propicie dichos ataques.

263

% de podrido

Refrigeración

Gráfica 2.–Influencia del retraso en la refrigeración sobre el podrido de fresas.

Los ataques de microorganismos se pueden limitar aplicando el frío a los productos con la mayor celeridad posible después de la recolección. En la gráfica 2 puede verse como afecta el retraso en la refrigeración a la incidencia de podrido en el almacenamiento de fresas. El podrido es mínimo después de 7 días de conservación sólo en el caso de que las fresas hayan sido llevadas a la temperatura de refrigeración a las dos horas de ser cosechadas, incrementándose drásticamente si la refrigeración se retrasa. A los 10 días de conservación el ataque de mohos se habrá generalizado incluso en el caso de una refrigeración rápida. 1.2. CARNES Cuando el animal es sacrificado, el músculo deja de recibir irrigación sanguínea y comienzan una serie de cambios que van a convertirlo en carne. La intensidad de estos cambios puede comprobarse siguiendo la evolución de su pH, que comenzará a descender desde un valor algo superior a 7 hasta aquel que sea su valor final. El pH final alcanzado por la carne regula toda una serie de características de la misma (color, textura, jugosidad, sabor y crecimiento microbiano). Una carne con un pH alto (por ejemplo: 6,8) es oscura y tiene poca conservación ya que el pH alto favorecerá el crecimiento bacteriano. El correcto descenso de pH no debe detenerse hasta que se haya alcanzado un

264 Procesos de conservación de alimentos valor de 5,4-5,5, momento en que finalizará el proceso porque a este pH se inactivan las enzimas responsables de la glucolisis anaeróbica que ha producido el ácido láctico cuya presencia ha llevado a la reducción del pH. Obviamente, si desciende la temperatura, menor será la velocidad de reacción y mayor el tiempo requerido para toda la serie de transformaciones postmortem. Sin embargo, la interacción entre los distintos procesos puede conducir a diferentes resultados, de acuerdo con la forma de enfriamiento empleado. Si el pH disminuye muy rápido, mientras la res aún está caliente, no se consigue la desnaturalización de las proteínas con lo que los músculos disminuyen notablemente su capacidad de retención de agua, dando lugar a una carne pálida, blanda y exudativa, conocida como pse (pale, soft and exudative). Este fenómeno es frecuente en porcino. La producción de carne pse puede evitarse mediante enfriamiento rápido, de forma que se alcancen valores bajos de pH solo cuando la temperatura sea suficientemente baja para que no se produzca la desnaturalización de las proteínas. Sin embargo, a medida de que los sistemas de enfriamiento se han hecho más eficaces, pueden alcanzarse situaciones en las que la temperatura haya descendido demasiado rápido y se produzca el rigor mortis en un músculo ya frío. Los músculos que entran en rigor estando distendidos producen una carne que cuando se cuece resulta tierna. Por el contrario, si el enfriamiento es muy rápido, se produce una contracción del músculo antes de iniciarse el rigor, por lo que la carne resulta mucho más dura. Este fenómeno de endurecimiento por enfriamiento demasiado rápido se produce en los músculos superficiales de carne de vacuno o en corderos donde, por ser las piezas más pequeñas, se alcanzan velocidades de enfriamiento mayores. Si se estimulan las canales aplicando pulsos eléctricos se consigue la aceleración de la bajada del pH y la aparición del rigor mortis, lo que permite un enfriamiento más rápido sin que aparezcan los peligros que se han comentado anteriormente. 1.2.1. Modificaciones físicas durante la refrigeración Las carnes durante su enfriamiento transfieren al medio que las rodea calor y vapor de agua. Las reses, que se encuentran inicialmente a una temperatura de 38ºC, suelen experimentar un aumento de 1 a 2ºC durante los primeros 30 minutos después del sacrificio por efecto de todos los procesos que tienen lugar en el músculo. Por lo tanto, incluso a temperatura ambiente, la carne comenzará a enfriarse. Paralelamente se producirá un proceso de vaporización del agua de constitución que originará dos efectos perjudiciales: • pérdida de peso, • deshidratación superficial. La pérdida de peso genera, como consecuencia directa, un perjuicio económico, que se verá agravado por la deshidratación superficial que conducirá en

Refrigeración

265

casos agudos a decoloraciones que deteriorarán el aspecto de los tejidos disminuyendo su valor comercial. Una refrigeración adecuada en un medio de humedad relativa alta conseguirá minimizar estos problemas. 1.2.2. Modificaciones durante la refrigeración debidas a microorganismos Las partes internas de los animales sanos son prácticamente estériles. La contaminación parte principalmente de la superficie, y su influencia sobre el tiempo de conservación dependerá de su extensión inicial. Las fuentes de contaminación más importantes suelen ser: • la piel, • el contenido de los estómagos, heces, etc., • el ambiente de la sala de matanza, • los instrumentos utilizados en las operaciones de sacrificio, • las aguas de lavado. En el momento en que acaba el faenado el crecimiento de los microorganismos es importante, ya que la superficie de la canal está usualmente húmeda y caliente, condiciones ideales para la proliferación microbiana. Por lo tanto será necesario el enfriamiento de la canal si se quiere minimizar el crecimiento de los microorganismos, o lo que es lo mismo, ampliar el tiempo de almacenamiento posterior. Cuando la canal se enfría no solo hay una disminución del recuento total de microorganismos, sino que también existe una profunda modificación de la flora presente. La disminución de temperatura favorece que predominen los microorganismos psicrótrofos. Como a la vez se producirá una deshidratación superficial en mayor o menor grado, se encontrarán en esa superficie microorganismos tolerantes a la baja actividad de agua. La reducción del pH que se ha visto que se producía, también será un factor de selección de la flora microbiana capaz de asentarse en la pieza de carne. Al final del enfriamiento la flora tiende hacia las bacterias psicrófilas, levaduras y hongos. Estos microorganismos crecen a temperaturas próximas a 0ºC, aunque el frío extiende su fase lag considerablemente, a la vez que también reduce su velocidad de crecimiento. Como se vio en el Capítulo II, la velocidad de crecimiento de los microorganismos dependerá fundamentalmente del pH alcanzado por la carne, de la temperatura y de la actividad de agua superficial. Esta actividad de agua será función de la humedad del medio en el que se ha producido la refrigeración. El empleo de altas humedades relativas en el medio enfriador conduce a unas velocidades mayores de crecimiento de los microorganismos. Por el contrario, el uso de humedades relativas bajas lleva a importantes pérdidas de peso y a deshidrataciones superficiales. Se observa que existen efectos contrapuestos

266 Procesos de conservación de alimentos entre los factores a regular durante el enfriamiento, por lo que será necesario analizar específicamente las condiciones operativas en cada problema de refrigeración de carne.

2. SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO En este apartado se incluyen los sistemas empleados para el enfriamiento de alimentos sólidos, ya que el enfriamiento de líquidos se producirá en cambiadores de calor como los estudiados en el Capítulo V. En el enfriamiento de un producto sólido intervienen básicamente dos mecanismos de transferencia de calor: • en el interior del producto la transferencia de calor se realiza por conducción, • la transmisión de calor desde la superficie del producto hasta el medio enfriador se efectúa prácticamente por convección. En el proceso de enfriamiento de un sólido en el seno de un fluido, será cierto que el calor cedido por el sólido deberá ser igual a la variación de su entalpía. La variación de la entalpía sufrida por el sólido en el proceso se podrá expresar como: dQ = M · cp · dT donde: dQ = variación de la entalpía del producto (J) M = masa de producto (kg) cp = calor específico del producto (J.kg–1.K–1) dT = variación de la temperatura del producto (K) A la vez, el calor cedido por el producto durante el enfriamiento, se podrá expresar como: dQ = A · U (T – Tmed) dt donde: dQ = calor cedido por el producto (J) A = área de transferencia (m2) U = coeficiente global de transmisión de calor (W.m–2.K–1) Tmed = temperatura del medio enfriador T = temperatura del producto dt = tiempo transcurrido en el proceso (s) Si como se ha dicho antes, la variación de entalpía es igual al calor cedido, será cierto que: M · cp · dT = A · U (T – Tmed) dt

Refrigeración

267

Organizando variables e integrando entre los límites del proceso, se podrá encontrar el tiempo de enfriamiento: dT A·U = dt T – Tmed M · cp Tf

兰

Ti

–1n

t=

dT A·U t = 兰 dt T – Tmed M · cp 0

(

Tf – Tmed Ti – Tmed M · cp A·U

1n

) (

=

A·U ·t M · cp

Ti – Tmed Tf – Tmed

)

Los mecanismos de transferencia de calor que quedan expresados en la ecuación anterior, y el resultado de la acción de todos ellos: el tiempo de enfriamiento, se ven influenciados en mayor o menor intensidad por diversos factores, que pueden ser: • intrínsecos, o propios del producto, sobre los que normalmente no se podrá actuar, • extrínsecos, o propios del medio, que dentro de unos márgenes van a permitir la regulación del tiempo de enfriamiento, aplicando la tecnología adecuada. Entre los factores intrínsecos se pueden destacar: la forma y relación entre las dimensiones del producto (que en la ecuación se representan por el cociente entre la masa y la superficie de transferencia), que definirán su comportamiento aerodinámico y por lo tanto el valor y distribución del coeficiente de transmisión de calor superficial o coeficiente de película (incluido en el coeficiente global que aparece en la ecuación). Y los parámetros termofísicos del producto: su conductividad térmica (incluida en la ecuación también en el coeficiente global) y su calor específico, que dependen de la composición del producto y de su estructura, y cuyo valor aumenta con la temperatura y fundamentalmente con el contenido en agua. Los factores extrínsecos más importantes son los propios del sistema enfriador, en primer lugar la naturaleza del agente de enfriamiento elegido, que debe ser tal que su acción sea exclusivamente térmica, sin que sus características químicas puedan modificar los atributos de calidad (comercial, higiénica, etc.) del producto. Una vez elegido el agente enfriador, se podrá actuar sobre el coeficiente de película y sobre la temperatura del medio de forma que aumentando el

268 Procesos de conservación de alimentos

h (W/m2.K)

valor del primero y disminuyendo el de la segunda se podrían conseguir tiempos de enfriamiento tan cortos como se quisiera, si no existieran grandes limitaciones como se verá a continuación. El coeficiente de película depende de las características del agente de enfriamiento, siendo directamente proporcional a su conductividad térmica y a su inercia térmica, e inversamente proporcional a su viscosidad. En segundo lugar depende de la velocidad del fluido enfriador, incrementando su valor según aumenta aquella con una relación exponencial, como se puede apreciar en la gráfica 3. Según se muestra en esta gráfica, todos los aumentos en la velocidad no producen el mismo incremento del coeficiente de película. A partir de determinados valores de velocidad, los incrementos que se puedan conseguir no tendrán una consecuencia apreciable en el coeficiente de película alcanzado. Como además, la potencia necesaria para conseguir que el fluido empleado alcance esas velocidades crece más rápidamente que el coeficiente de película, se llega a un punto en el que no es interesante, ni técnica ni económicamente, aumentar la velocidad del medio enfriador. El coeficiente de película también depende de la dirección del fluido respecto al producto, que debe ser tal que la dimensión menor de éste sea perpendicular a las líneas de corriente de aquel. Por lo que se refiere a la influencia de la temperatura del medio, se ve claramente en la ecuación anterior que cuanto menor sea ésta más rápido será el

Gráfica 3.–Relación entre la velocidad del aire y el coeficiente de película.

Refrigeración

269

enfriamiento del producto. Sin embargo, su valor viene limitado por la aparición de daños en el alimento, de forma que las temperaturas mínimas del medio enfriador no deben ser inferiores a aquellas a las que se comiencen a producir congelaciones superficiales o daños por frío en los productos que son sensibles a estas fisiopatías. Como agente de enfriamiento se podrá utilizar: • aire frío, • agua fría, • vacío. Cada uno de estos agentes requieren sistemas específicos y son compatibles con unos determinados alimentos, como se expone a continuación. 2.1. ENFRIAMIENTO POR AIRE La utilización de aire como agente de enfriamiento es el sistema más universal, que se ha empleado con la practica totalidad de los alimentos, sin que esto quiera decir que en todos los casos sea la mejor solución posible. El enfriamiento se realiza mediante transferencia de calor por convección desde la superficie del producto, a través de la película de aire que le rodea (capa límite), hasta una corriente de aire enfriado por el dispositivo apropiado. Al mismo tiempo, la transferencia de calor desde el interior del producto hasta su superficie se producirá por conducción. La ley que rige el enfriamiento de un cuerpo en estas circunstancias puede expresarse con la ecuación: Q = A · U (T – Tmed) donde: Q = Calor disipado (W) A = área de transferencia (m2) U = coeficiente global de transmisión de calor (W.m–2.K–1) Tmed = Temperatura del medio enfriador (en este caso el aire) T = Temperatura del producto De esta ecuación se desprende que la máxima velocidad de disipación de calor se conseguirá cuando: • la superficie de intercambio sea máxima, • el coeficiente global sea máximo. La máxima superficie de intercambio entre el aire y un conjunto de cuerpos se consigue, como es obvio, cuando la superficie de cada uno de ellos se encuentra inmersa en la corriente de aire. Esto estrictamente no ocurre nunca, si exceptuamos el caso de un lecho fluidizado. Cuando se refrigera un producto se debe tender hacia este máximo, forzando a que el aire pase a través de los huecos libres existentes entre el conjunto de piezas que integren el lote.

270 Procesos de conservación de alimentos El coeficiente global de transmisión de calor depende de la conductividad térmica del producto y de su espesor, a la vez que del coeficiente superficial de transmisión de calor (coeficiente de película) según la siguiente ecuación: 1 x 1 = + h k U donde: U = coeficiente global de transmisión de calor (W.m–2.K–1) h = coeficiente de película (W.m–2.K–1) x = semiespesor del producto (m) k = conductividad térmica del producto (W.m–1.K–1)

Temperatura (°C)

Como la conductividad térmica y el tamaño del producto pueden considerarse constantes para un determinado proceso, se podrá actuar sobre el coeficiente global incrementando el valor del coeficiente de película hasta que su inverso sea de un orden de magnitud inferior al cociente entre el semiespesor y la conductividad térmica del producto. A partir de este valor, el factor limitante que regirá la transferencia de calor será la transmisión por conducción en el interior del alimento.

Gráfica 4.–Influencia del coeficiente de película en la velocidad de enfriamiento de un producto.

Refrigeración

271

El coeficiente de película es función de las características térmicas y mecánicas del fluido enfriador, de forma que cuanto mejor conductor sea y más inercia térmica tenga mayor será h. Estas propiedades físicas varían con la temperatura, por lo tanto existirá una dependencia entre h y Tmed. Además, ya se ha visto anteriormente que, el coeficiente de película es función de la velocidad del fluido refrigerante. Si se tiene un caudal determinado de aire que incide sobre la superficie de una mercancía, su velocidad será la que adquiera a su paso por los huecos existentes. Esta velocidad intersticial dependerá de la relación entre la superficie libre de paso y la superficie total perpendicular a la corriente de aire. Cuando esta relación sea pequeña la velocidad será grande, y por lo tanto le corresponderá un coeficiente de película elevado. En la gráfica 4 se muestra como influye en el enfriamiento de un producto el incremento del coeficiente de película. Como puede apreciarse, mientras el factor limitante a la transferencia de calor es el pequeño valor del coeficiente de película, se pueden conseguir incrementos en la velocidad de enfriamiento aumentando el valor de h. Sin embargo, cuando el valor de h es suficientemente alto como para que su inverso sea despreciable, el factor limitante de la transferencia de calor pasa a ser la conductividad térmica del producto y su espesor. En este caso se puede decir que el calor se disipa en la superficie del producto al mismo ritmo que llega a ella desde las zonas más internas. 2.1.1. Enfriamiento en cámara frigorífica Este sistema consiste en emplear para el enfriamiento una cámara frigorífica diseñada únicamente para la conservación de alimentos. La velocidad de circulación de aire que se consigue en estas cámaras es muy pequeña (menos de 1 m.s–1) ya que la función de la circulación del aire es únicamente conseguir una homogeneización de la atmósfera interna desde el punto de vista de la temperatura y de la concentración de gases. En estas condiciones el coeficiente de película conseguido es muy pequeño (alrededor de 3 W.m–2.K–1) lo que llevará a tiempos de enfriamiento muy largos. Es el sistema menos eficiente de enfriamiento por aire, que se debe utilizar solo cuando no se disponga de otro mejor. Generalmente se emplean cámaras frigoríficas de pequeño tamaño, con una capacidad para 12 a 15 toneladas de producto. La instalación frigorífica se debe dimensionar para conseguir el enfriamiento buscado (que suele ser de 30 a 5ºC) en 16 horas, aunque en la realidad el tiempo de enfriamiento efectivo sea más próximo a las 24-30 horas. Este sistema no es aconsejable si se requiere una refrigeración rápida. En primer lugar por los largos tiempos de enfriamiento que se necesitan, y además porque estos tiempos están muy influenciados por el sistema de estibado de la mercancía, la densidad de carga empleada y la presencia o no de embalajes.

272 Procesos de conservación de alimentos Por último, este es un sistema de enfriamiento con el que no se consigue un descenso de temperatura homogéneo en todas las localizaciones de la cámara. Estas irregularidades en el enfriamiento llevan a que la calidad obtenida en la mercancía después de la conservación sea también irregular. 2.1.2. Enfriamiento por presión de aire Este sistema viene a ser una modificación del anterior. Fundamentalmente consiste en conseguir crear unos gradientes de presión dentro de la cámara que fuercen al aire a pasar por el interior de los envases, poniéndolo en contacto directamente con el producto, en lugar de circular alrededor de los envases como ocurre la mayoría de las veces en las cámaras convencionales. La eficacia de este sistema requiere disponer de envases con ventilación suficiente en la dirección de la corriente de aire. Bajo estas condiciones, con una pequeña diferencia de presión (15-20 mm de columna de agua) se consigue una buena circulación del aire, y por lo tanto una transferencia de calor más eficiente que en el sistema visto en el punto anterior. En la práctica el sistema consiste en colocar el producto paletizado en dos filas paralelas, dejando entre ellas un pasillo en una de cuyas extremidades se coloca un ventilador trabajando en aspiración. El otro extremo y la parte superior del pasillo y de los pallets se cubren con unas lonas de forma que se impida el paso del aire, que se ve obligado entonces a introducirse por los laterales de los embalajes y llegar a través del producto hasta el pasillo central, como puede verse en el esquema de la figura 1.

Figura 1.–Disposición en planta de los envases para un enfriamiento por presión de aire.

Refrigeración

273

De esta forma se pueden adecuar, con pocos gastos, las cámaras frigoríficas tradicionales para el enfriamiento eficiente de los productos, montando en ellas una o varias de estas unidades de enfriamiento a depresión. El coste de estas instalaciones es muy reducido siempre que se aprovechen como fuente de frío los propios evaporadores montados en la misma cámara. 2.1.3. Túneles de enfriamiento Son recintos especialmente construidos para conseguir altas velocidades de aire (comprendidas entre los 5 y 15 m.s–1) que permitan alcanzar valores altos de coeficiente de película, o lo que es lo mismo, tiempos cortos de enfriamiento. Generalmente se dimensionan para un tiempo total de enfriamiento comprendido entre 1 y 6 horas. Según la forma de realizar la carga de producto los túneles podrán ser discontinuos o continuos. Los de uso más corriente son los discontinuos, que son recintos similares a los utilizados como túneles de congelación (que se verán en el Capítulo siguiente) en los que los productos se depositan en pallets o bien son colgados del correspondiente transportador aéreo (en el caso de que se trate del enfriamiento de canales). La mercancía se mantiene en el interior del túnel el tiempo necesario para que su temperatura se haya reducido hasta el punto deseado, y a continuación se transporta a la cámara de conservación. En los túneles continuos la mercancía puede enfriarse a granel (sobre cinta transportadora), encajada (con las cajas dispuestas en un pallet o en unos carros apropiados) o colgada del correspondiente transportador aéreo. En todos los casos se ajustará la velocidad de traslación del sistema de transporte de forma que el tiempo de permanencia dentro del túnel se corresponda con el necesario para que la temperatura de la mercancía descienda hasta el valor requerido. 2.1.4. Enfriamiento del aire Generalmente el aire frío necesario en los sistemas de enfriamiento que se han expuesto se consigue por medio de evaporadores de expansión directa. A la hora de dimensionar la superficie de evaporación de estos equipos hay que tener en cuenta que el aire a la salida del evaporador deberá tener una humedad suficientemente alta para que no se produzcan excesivas pérdidas de peso en el proceso de enfriamiento. Por lo tanto la temperatura de evaporación deberá ser muy próxima a la de régimen del sistema de refrigeración (salto térmico igual o menor de 5ºC), de forma que se obtenga una humedad relativa en el aire mayor del 90%. Esto obligará a un generoso dimensionado de la superficie de los evaporadores. 2.2. ENFRIAMIENTO POR AGUA En este caso, la disipación del calor se efectúa por convección forzada, a través de la película de agua que cubre la superficie del producto. La utiliza-

274 Procesos de conservación de alimentos ción de agua se debe a su capacidad como agente de enfriamiento. Efectivamente, cuando una corriente de agua fría circula rápida y uniformemente sobre la superficie de un cuerpo caliente, su temperatura superficial llega a ser prácticamente igual a la del agua casi instantáneamente. Esta diferencia mínima de temperatura es el resultado de una transmisión de calor óptima, como consecuencia de un coeficiente de película promedio elevado sobre una superficie de intercambio máxima. Si la velocidad del agua es suficiente, como lo es en los casos de flujos de agua por gravedad o por convección forzada, la resistencia térmica en la superficie del producto es despreciable, lo que equivale a decir que el calor procedente del interior del producto se disipa tan rápidamente como llega a la superficie. La puesta en contacto del agua fría con el producto se puede realizar por dos procedimientos: por lluvia o por inmersión. Los sistemas por lluvia se basan en dejar caer sobre el producto un gran caudal de agua desde un plano a mayor altura que la superficie superior del producto. Esto puede conseguirse colocando en esa posición un depósito con el fondo perforado, en el que se mantendrá constante el nivel de agua para que se mantenga también constante el caudal de agua caída sobre el producto, o bien disponiendo una serie de boquillas desde las que se pulverizará el caudal necesario de agua por medio del sistema de bombeo adecuado. Ambos sistemas tienen la ventaja de conseguir mayores velocidades, y mejor distribución del flujo con menores caudales de agua y menor potencia de bombeo que los sistemas por inmersión, que son con los que se alcanza un menor coeficiente de película. Los refrigeradores por agua también pueden ser continuos o discontinuos. Los continuos están formados por un túnel de 12 a 15 metros de longitud, en el interior del cual el producto circula, generalmente paletizado, sobre un sistema transportador. En estos túneles se suelen emplear sistemas de pulverización con boquillas para poner en contacto el agua con el producto, en los que se manejan caudales muy importantes de agua fría: próximos a los 25 l.s–1, de forma que se consigan velocidades de enfriamiento muy altas y una gran homogeneidad en la temperatura de todo el lote tratado. Los enfriadores discontinuos se montan en cámaras de pequeñas dimensiones en las que las unidades de carga se suelen disponer hasta tres alturas. El agua fría se pulveriza sobre la mercancía desde una red de tuberías dispuestas en el techo. En este caso se suele emplear un caudal menor que en los sistemas continuos (aproximadamente 6 l.s–1), ya que no existe la restricción impuesta por la longitud de la máquina como en el caso de los enfriadores continuos. El agua se recupera conduciéndola por una red de drenajes existentes en el suelo hasta un sumidero desde donde es devuelta al sistema de enfriamiento. 2.2.1. Enfriamiento del agua Un enfriador por agua suele requerir grandes potencias frigoríficas puntuales, por lo que será aconsejable estudiar en cada caso la conveniencia de insta-

Refrigeración

275

lar sistemas de almacenamiento de frío que eviten el tener que montar equipos frigoríficos de gran potencia que trabajen muy pocas horas al día. El uso de bancos de hielo suele ser una solución interesante en la mayoría de los casos, ya que de esta forma se consigue repartir la producción frigorífica sobre las 24 horas del día, por lo que la dimensión del equipo frigorífico se reduce considerablemente y se aumenta la eficiencia global del sistema. 2.2.2. Ventajas del enfriamiento por agua El enfriamiento por agua es el que consigue mayores coeficientes de película, por lo que es el más rápido para la mayoría de los productos. Además este sistema evita la aparición de pérdidas de peso, que son importantes en todos los demás métodos de enfriamiento. Sin embargo la aplicación de este sistema no es universal. Existen productos y materiales de embalaje que no soportan el ser mojados por un caudal de agua tan importante como el que se emplea en estos equipos. En estos casos no es aconsejable la utilización de enfriadores por agua. El uso de este sistema de enfriamiento puede convertirse en una fuente de contaminación microbiana del producto, por lo que se debe exigir una estricta higiene, programando unas limpiezas frecuentes del equipo y las renovaciones del agua necesarias. 2.3. ENFRIAMIENTO POR VACÍO La refrigeración por vacío consiste en colocar la mercancía en un recinto en el que se reduce la presión a un valor suficientemente bajo para que parte de su agua de constitución se vaporice, siendo el mismo producto el que suministra el calor de vaporización necesario para el cambio de estado, consiguiéndose así la disminución de su temperatura. La temperatura de ebullición del agua es función de la presión a la que se desarrolla el proceso, siendo tanto más baja cuanto más baja sea la presión, como se puede ver en la gráfica 5. De esta forma es posible, reduciendo la presión, que el agua de constitución del producto comience su vaporización a temperatura ambiente y siga vaporizándose al tiempo que desciende la temperatura del producto hasta alcanzar la de conservación. El principio físico en el que se basa este sistema de enfriamiento es distinto de los descritos con anterioridad en este Capítulo. En este caso la disipación de calor tiene lugar por transmisión de masa, en régimen variable, desde el producto al medio enfriador. La transferencia se origina como consecuencia de la reducción de presión que se produce en el ambiente que rodea al alimento, hasta alcanzar la tensión de vapor de saturación correspondiente a la temperatura final que se desea alcanzar. La mayor parte del agua se vaporiza en la superficie del producto, aunque una parte del vapor puede generarse en las capas subyacentes de la piel, de

Presión de saturación (mbar)

276 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 5.–Variación de la presión de saturación con la temperatura.

manera que el descenso de la temperatura superficial origina un gradiente de temperatura con el centro del alimento, que produce el consiguiente flujo de calor desde el interior de la pieza hasta su superficie. En la gráfica 6 se representa la evolución de la temperatura y la presión en el interior de un enfriador por vacío. El proceso comienza en el punto A. En ese momento en el interior del recinto del enfriador existe aire húmedo en las condiciones de presión y temperaturas ambientes, y se supone que el producto se encuentra en equilibrio térmico en estas condiciones. Al comenzar a realizarse el vacío, el aire húmedo se va enrareciendo, a temperatura constante, hasta que la presión alcanza el valor de la tensión de vapor de agua correspondiente a la temperatura del producto (punto B). En este instante comienza la ebullición de una parte del agua contenida en el alimento, principalmente a nivel superficial, como ya se ha dicho. La pequeña cantidad de aire húmedo que existía al comienzo de la ebullición dentro del recinto, queda completamente desplazada por el vapor de agua que se produce. El proceso continúa en una atmósfera de vapor saturado, la presión sigue disminuyendo y la temperatura desciende con ella hasta que se alcanza la tensión de saturación preestablecida (punto C), momento en el que se detienen el descenso de la presión. Durante un cierto tiempo se mantiene la presión en el valor alcanzado para conseguir homogeneizar la temperatura en el producto. Ya que el agua es el único agente que actúa como refrigerante en este proceso, la potencia calorífica extraída del producto dependerá de la cantidad de

277

Temperatura °C

Refrigeración

Gráfica 6.–Evolución de la temperatura con respecto de la presión en un proceso de enfriamiento por vacío.

agua vaporizada por unidad de tiempo y del calor latente de vaporización de este agua, de acuerdo con la expresión: Q=

dM ·λ dt

[1]

donde: Q = potencia calorífica desprendida (W) M = masa de producto (kg) t = tiempo (s) λ = calor latente de vaporización (J.kg–1) Suponiendo que no existan ganancias de calor en el interior del recinto, el calor disipado en la superficie del producto implica una disminución de la entalpía del mismo que podemos expresar con la ecuación: Q = M · cp donde: cp = calor específico (J.kg–1.K–1) T = temperatura

dT dt

[2]

278 Procesos de conservación de alimentos Como el calor empleado para la vaporización del agua coincidirá con la variación de entalpía del producto, se podrán igualar los segundos miembros de la expresiones [1] y [2]: dM dT · λ = M · cp dt dt Agrupando variables e integrando entre las condiciones iniciales y finales del proceso quedará: cp dM = dT λ M Mf

兰

Mo

cp Tf dM = 兰 dT λ To M

Para simplificar el cálculo se supone que las variaciones en el calor específico y el calor latente en el intervalo de temperaturas a que se produce el proceso son tan pequeñas que ambos se pueden considerar constantes. Por lo tanto de la integración se obtendrá:

[1n M]MfMo =

cp λ

Tf

[T] To

[3]

Si se expresan la temperatura y masa finales en función de sus decrementos, se obtendrá: Mf = Mf + M0 – M0 = M0 – (M0 – Mf) = M0 – ∆M Tf = Tf + T0 – T0 = T0 – (T0 – Tf) = T0 – ∆T Sustituyendo estos valores en [3], quedará: – ∆M [1n M]Mo = Mo

cp λ

To – ∆T

[T]To

1n (M0 – ∆M) – 1n M0 =

cp λ

(T0 – T0 – ∆T) = –

cp λ

∆T

Refrigeración

279

∆T = – λ 1n(M0 – ∆M) – 1n M0) cp M – ∆M ∆T = – λ 1n 0 cp M0 ∆T = –

( (

∆M λ 1n 1– cp M0

)

)

Temperatura (°C)

Se ha obtenido una ecuación que liga la disminución de la temperatura del ∆M producto (∆T) con la pérdida de peso provocada por el proceso expresada M0 en tanto por uno, debida a la vaporización del agua. En la gráfica 7 se representa esta expresión para los valores de calor específico y calor latentes del agua:

Gráfica 7.–Pérdida de peso producida por el descenso de la temperatura en el enfriamiento por vacío.

cp = 4 kJ.kg–1.K–1 λ = 2466 kJ.kg–1

280 Procesos de conservación de alimentos

Temperatura (°C)

Presión de recinto (mbar)

Según esta gráfica, por cada 1% de peso perdido por el producto se producirá un descenso de algo más de 6ºC de temperatura, por lo que si se pretende enfriar la mercancía desde 20 hasta 0ºC, la pérdida de peso será próxima al 3,2%. La duración normal de un ciclo de enfriamiento suele ser de unos 20-25 minutos como mínimo, siendo necesarios de 5 a 8 minutos para alcanzar el punto de ebullición y aproximadamente 15 minutos para el enfriamiento propiamente dicho, como se puede ver en la gráfica 8.

Gráfica 8.–Evolución de la presión y la temperatura durante un proceso de enfriamiento de lechugas Iceberg.

2.3.1. Equipos para el enfriamiento por vacío Un enfriador por vacío consta básicamente de un recinto estanco conectado a un equipo de producción de vacío. El recinto puede tener forma cilíndrica o peralelepipédica y estará construido en plancha de acero del espesor suficiente para soportar en su interior una depresión próxima a un bar. Las dimensiones interiores están adaptadas a los tamaños de los pallets normalizados, y hoy en día se fabrican para capacidades de carga que oscilan entre uno y doce pallets, lo que en hortalizas de hoja viene a suponer entre 300 y 3.500 kg por carga. El equipo de vacío debe estar dimensionado para conseguir extraer el aire húmedo que se encuentra en el interior del recinto al comienzo del proceso y seguir eliminando todo el vapor que se producirá durante la fase de vaporiza-

Refrigeración

281

ción, hasta que se alcance la presión final deseada. Dado que las presiones finales a las que concluyen los procesos de enfriamiento (6,6 mbar), el volumen específico del vapor de agua es muy elevado (193 m3.kg–1), serán necesarias altas capacidades de bombeo para que el proceso transcurra en un tiempo razonable. Si como se ha visto anteriormente, para enfriar 1000 kg de mercancía desde 20 a 0ºC es necesario conseguir la vaporización de 30 kg de agua, a los niveles de presión que se alcanzan se obtendrán 5.790 m3 de vapor saturado. Este volumen debe extraerse del recinto, como también se ha visto, en unos 15 minutos, por lo tanto el caudal medio teórico para este ejemplo sería de más de 23.000 m3.h–1, que en la realidad, cuando la vaporización sea máxima, se convertirá en un caudal instantáneo de 8 a 10 veces mayor. De todo lo anterior se deduce la importancia que tiene en este proceso de enfriamiento la correcta elección y dimensionado del equipo de bombeo. Para instalaciones de enfriamiento por vacío de baja y media capacidad se utilizan sistemas de bombeo mecánicos, montando generalmente bombas de vacío volumétricas (de desplazamiento positivo), ya sean rotativas o alternativas. Ambos tipos son capaces de conseguir los niveles de presión necesarios para el enfriamiento, pero tienen el inconveniente de que a bajas presiones el caudal másico extraído es pequeño y por lo tanto, para conseguir el enfriamiento en los tiempos exigidos se deberían montar bombas de dimensiones inaceptables. Para solventar este inconveniente se recurre al empleo de una máquina frigorífica complementaria, de manera que en el evaporador de la misma se condense la práctica totalidad del vapor liberado a partir del punto de ebullición. Mediante esta solución se consigue reducir al máximo el vapor de agua que debe extraer la bomba, de forma que la misión de ésta es simplemente la de extraer el aire húmedo inicial hasta obtener y mantener la presión deseada (figura 2).

Figura 2.–Instalación de enfriamiento por vacío (Telstar).

282 Procesos de conservación de alimentos Para instalaciones de enfriamiento de gran capacidad el empleo de eyectores de vapor es el sistema de vacío más económico. En este caso el vacío se produce por la expansión de vapor de agua a alta presión a través de eyectores colocados en serie. Los vapores producidos son licuados por medio de condensadores multitubulares a vacío. 2.3.2. Ventajas del enfriamiento por vacío El enfriamiento por vacío es, en general, el sistema que exige una mayor inversión, por lo tanto su utilización queda restringida a productos para los que este sistema sea el método más rápido, o en su caso el más conveniente. Este sistema permite el enfriamiento del producto acondicionado, siempre que el embalaje empleado tenga una permeabilidad al vapor de agua adecuada. Se pueden emplear envases de cartón, que se conservan secos (y por lo tanto con todas sus propiedades mecánicas) durante el proceso de enfriamiento. La homogeneidad del enfriamiento a nivel de la carga es muy buena, ya que la accesibilidad de la presión a toda la mercancía es absoluta. Las diferencias más importantes de temperatura se encuentran entre la superficie y el centro del producto si no se permite que transcurra el tiempo suficiente para que se uniformice la temperatura. El enfriamiento por vacío es un procedimiento discontinuo que requiere una alta inversión y en consecuencia unas amortizaciones elevadas, por lo que su uso queda relegado a productos muy perecederos, y de gran valor comercial. También será imprescindible que el producto a enfriar tenga una alta relación superficie/volumen, que su disponibilidad de agua en los intersticios de la capa epidérmica sea alta, así como la porosidad de sus tejidos y la permeabilidad de la piel, para permitir una fácil llegada del agua que debe evaporarse a la superficie.

3. CONSERVACIÓN EN REFRIGERACIÓN Una vez se ha conseguido con el enfriamiento que toda la masa de producto se encuentre a la temperatura apropiada, superior a la de congelación, comienza el proceso de conservación depositando el alimento en un recinto aislado en el que se mantengan las condiciones más apropiadas para que su vida útil se prolongue durante el mayor tiempo posible. El trabajo del técnico en este punto consiste en ajustar y controlar los factores que condicionan este almacenamiento. 3.1. TEMPERATURA La temperatura de conservación quedará definida en función de la naturaleza de los productos almacenados y de la duración del almacenamiento, y

Refrigeración

283

debe ser tan constante como sea posible y perfectamente uniforme en todo el interior de la cámara frigorífica. La regulación de la temperatura dentro de la cámara corresponde a un dispositivo de control, el termostato, que se encarga de la apertura y cierre de la válvula solenoide que alimenta al evaporador frigorífico instalado en el interior de la cámara. A la diferencia de temperatura que existe entre el valor al cual se cierra la válvula solenoide interrumpiendo la producción de frío y al que se vuelve a abrir, dejando pasar fluido frigorígeno al evaporador, se denomina diferencial del termostato. Este valor, que puede o no ser regulable dependiendo del tipo de termostato montado, debe ser lo más pequeño posible de forma que la temperatura de la cámara sea lo más constante que pueda conseguirse, asegurando una buena operación del equipo de frío. Para poder mantener una temperatura constante es necesario disponer de un aislamiento térmico bien calculado y de una potencia frigorífica suficiente, de forma que las pérdidas de calor sean mínimas y la capacidad de recuperarlas en el menor tiempo posible máxima. La temperatura será uniforme en todo el recinto frigorífico cuando se haya dispuesto la mercancía de forma que no puedan producirse bolsas de frío o de calor, es decir, cuando se haya estibado adecuadamente la mercancía, y cuando la circulación de aire por el interior del recinto sea la adecuada para que el calor generado por el producto (en el caso de que se trate de frutas y hortalizas) pueda ser disipado inmediatamente en el evaporador. 3.2. HUMEDAD RELATIVA Con carácter general se recomienda en la conservación frigorífica de los productos perecederos que la humedad relativa del recinto se mantenga entre el 85 y el 95%. Sin embargo, cada producto deberá almacenarse a la humedad relativa que más le beneficie, teniendo en cuenta que las humedades relativas altas favorecen el desarrollo de hongos y las humedades relativas bajas incrementan las pérdidas de peso de la mercancía. En la tabla 2 se recogen los valores de temperatura y humedad relativa de almacenamiento para algunos alimentos. Durante la conservación se deberá conseguir que la humedad relativa, como la temperatura, se mantenga lo más constante posible. Como la variación de la temperatura y de la humedad relativa van unidas, manteniendo constante la primera conseguiremos mantener constante la segunda. 3.3. CIRCULACIÓN DEL AIRE Con una adecuada circulación del aire en el interior de la cámara frigorífica se pretende conseguir:

284 Procesos de conservación de alimentos Tabla 2. Condiciones de almacenamiento refrigerado de algunos alimentos Producto

Temperatura (ºC)

% HR

Duración almacenamiento

0

98-100

1 a 2 meses

8 a 12

90-95

7 a 10 días

Bróculi

0

95-100

Coliflor

0

95

2 a 4 semanas

Col de Bruselas

0

95-100

3 a 5 semanas

0a2

95-100

2 a 3 semanas

Espinaca

0

95-98

Guisante

0

95

4a7

90-95

Hortalizas Apio Berenjena

Espárrago

Judía verde Lechuga

10 a 14 días

10 a 14 días 1 a 3 semanas 7 a 10 días

0a1

95-100

Pepino

10 a 13

95

2 a 3 semanas

Pimiento

7 a 13

90-95

2 semanas

Tomate maduro

7 a 10

90-95

4 a 7 días

4 a 13

85-90

2 a 4 semanas

0

90-95

1 a 2 semanas

10 a 14 días

Frutas Aguacate Albaricoque Ciruela

–1 a 0

90-95

2 a 4 semanas

Fresa

–0,5 a 0

90-95

5 a 7 días

Limón

0 a 10

85-90

1 a 6 meses

Mandarina Manzana Melocotón Naranja Nectarina

4

90-95

2 a 4 semanas

–1 a 4

90-95

3 a 8 meses

–0,5 a 0

90-95

2 a 4 semanas

5

85-90

3 a 12 semanas

–0,5 a 0

90

–1,6 a –0,5

90-95

2 a 7 meses

Pomelo

10-16

85-90

6 a 10 semanas

Sandía

10-15

90

2 a 3 semanas

0a1

85-90

Pera

2 a 4 semanas

Carnes Cerdo

3 a 5 días

Cordero

0a1

85-90

5 a 12 días

Pollo

–2 a 0

95-100

1 a 4 semanas

Vacuno

0a4

85-90

1 a 3 semanas

Refrigeración

285

• una buena transmisión de calor, • una eficiente homogeneización de la temperatura y de la humedad relativa en el interior del recinto frigorífico. El aire es el agente que se encarga de la transmisión de calor entre la carga y el evaporador frigorífico montado en la cámara. Por lo tanto, el caudal de aire que debe ponerse en movimiento debe ser capaz, por lo menos, de llevar adelante este intercambio térmico. El calor que es capaz de transferir un determinado caudal de aire se puede calcular con la siguiente ecuación: Q = V · ∆T · cp siendo: Q = calor intercambiado (W) V = caudal de aire (m3.s–1) ∆T = variación de la temperatura del aire (K) cp = calor específico volumétrico del aire (≅ 1,293 kJ.m–3) En nuestro caso la variación de la temperatura del aire corresponderá a la que ocurre a su paso por el evaporador, cuyo valor máximo será igual a la diferencia entre el valor máximo de la temperatura de la cámara y la temperatura del aire a la salida del evaporador. De este salto térmico dependerá la humedad relativa en equilibrio del ambiente interior de la cámara, siendo menor ésta cuando mayor sea el salto térmico. La variación de la temperatura también será función de este salto térmico, siendo máxima cuando el salto térmico también lo sea. Algo semejante le ocurrirá a la humedad relativa, que presentará mayores oscilaciones cuanto mayor sea el salto térmico. Cuanto mayor sea el salto térmico, menor será el caudal de aire necesario, y más variación presentarán tanto la temperatura como la humedad relativa. En el caso de conservación frigorífica de productos perecederos en la que es necesaria una humedad relativa alta, se considera apropiado un salto térmico máximo de 3ºC, por lo que se tendrá que: Q (W) ≈ 4 V (m3 · s –1) 3.4. INCOMPATIBILIDAD ENTRE LOS PRODUCTOS ALMACENADOS En la práctica no siempre se podrá completar la carga de una cámara frigorífica con un solo producto. Normalmente, para rentabilizar el consumo de frío será necesario conservar juntos más de un alimento, sobre todo en los escalones de distribución y de consumo. En este caso habrá que tener en cuenta que no todas las mercancías son compatibles, y que por ello no todas pueden almacenarse juntas en el mismo recinto. Existen incompatibilidades a cuatro niveles:

286 Procesos de conservación de alimentos • temperatura, • humedad relativa, • emisión de compuestos volátiles, • composición de la atmósfera de almacenamiento. Desde el punto de vista de la temperatura, se deberá tener en cuenta que el valor óptimo de este parámetro para todas las mercancías no es el mismo, y que por lo tanto solo se podrán almacenar juntas aquellas cuya temperatura óptima de almacenamiento sea próxima. Tampoco se podrán mezclar productos cuyas humedades relativas de almacenamiento sean diferentes. Sin embargo la mayor diferencia la tendremos al almacenar productos envasados en embalajes estancos a la humedad y aquellos que no lo están, ya que los primeros admitirán humedades relativas de almacenamiento mucho más bajas que los segundos. La incompatibilidad más importante es la producida por la emisión de compuestos volátiles, ya que al no ser tan obvia como las dos anteriores, puede pasarse por alto y producir problemas muy graves. La mayoría de los productos vivos emiten compuestos volátiles durante su conservación frigorífica. Estos compuestos volátiles pueden afectar a la conservación de otras mercancías por dos causas: • porque tienen un olor característico, que impregnará a los productos que los acompañen, • porque los compuestos volátiles emitidos pueden afectar al metabolismo de los productos que los acompañan. Es el caso típico del etileno, capaz de producir la maduración acelerada de los productos que están expuestos a él. En ambos casos los problemas son irreversibles y muy graves, por lo que es fundamental asegurarse de que la mezcla de distintos productos en el recinto refrigerado es posible antes de proceder a almacenarlos en compañía. En algunos casos específicos de conservación de larga duración de algunas frutas se emplean atmósferas especiales que suelen caracterizarse por un bajo contenido en oxígeno y un alto contenido en anhídrido carbónico. Es evidente que no todos los productos serán capaces de sobrevivir en estas condiciones e incluso que será necesario ajustar las concentraciones de O2 y de CO2 para conseguir una conservación óptima, por lo que en estos casos no será aconsejable el almacenamiento de distintos productos en un mismo recinto frigorífico. 3.5. SISTEMA DE ESTIBA Y DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO Para una buena conservación frigorífica se deberá también tener en cuenta el modo en el que se realiza la estiba y cual es la densidad de almacenamiento. Ambas dependerán de la naturaleza del producto y del embalaje utilizado. Sin embargo se pueden dar una serie de recomendaciones generales.

Refrigeración

287

Es recomendable no utilizar todo el volumen de la cámara, siendo aconsejable que el volumen útil sea inferior en un 20% al total del recinto. La superficie no utilizada se distribuye en pasillos que sirvan para la inspección de la mercancía y para la libre circulación del aire que permita una buena transmisión de calor y una buena homogeneidad de la temperatura y de la humedad relativa. La estiba no deberá hacerse nunca directamente sobre el suelo, si no sobre tarimas que permitirán la mecanización del transporte de la mercancía y además la circulación del aire por el nivel más bajo de la cámara. También se dejará libre una distancia de unos 0,3 m entre la mercancía y las paredes, de forma que se permita una buena circulación del aire por estas zonas. Entre el nivel más alto de la carga y el techo se dejará libre una altura que no será inferior a 0,5 m, para estar seguros de que también por esta parte se consigue una buena circulación del aire. 3.6. RENOVACIONES DE AIRE Como ya se ha comentado, la composición química de la atmósfera de una cámara frigorífica puede modificarse debido a la emanación de sustancias volátiles por los mismos productos almacenados. Estas sustancias pueden ser tóxicas o perjudiciales incluso para los productos que las emiten, por lo que será necesario una renovación periódica del aire de las cámaras. Esta práctica es esencial en el caso de frutas y hortalizas, que como ya se ha visto pueden emitir productos que actúan sobre su metabolismo y acortan la vida útil de los productos almacenados. La renovación de aire consistirá, por tanto, en la introducción en la cámara de aire tomado del exterior, expulsándose al mismo tiempo un volumen igual de aire viciado. La renovación de aire puede producirse de forma natural, por abertura de puertas, o de forma forzada inyectando un volumen determinado de aire en la cámara por un conducto especialmente habilitado para este menester. En cámaras de pequeño tamaño la abertura de puertas que se produce de forma normal por necesidades de operación es suficiente para que se consiga la necesaria renovación del aire interior. En cámaras grandes, o bien en conservaciones de larga duración a puerta cerrada, será necesario montar un conducto para la introducción del aire exterior, con un ventilador que impulse el aire hacia el interior. El conducto se mantendrá siempre cerrado, salvo durante los periodos de marcha del ventilador, que se habrán calculado para conseguir las renovaciones de aire necesarias. La entrada de aire del exterior, limpio y caliente, se situará de forma que pase por la batería de enfriadores antes de alcanzar la mercancía. En la pared opuesta de la cámara se colocará una salida para el aire viciado.

CAPÍTULO DECIMOPRIMERO

Congelación 1. EL PROCESO DE CONGELACIÓN Al descender la temperatura las moléculas de agua tienden a agregarse en cristales. Esta cristalización supone el paso de las moléculas de agua desde una distribución desordenada (líquido) hasta un estado de ordenación molecular (sólido). El proceso de ordenación molecular requiere el desplazamiento de las moléculas desde su posición inicial hasta aquella que les corresponde en la estructura organizada, para ello será necesario que dispongan de la suficiente movilidad y de tiempo. El proceso de congelación incluye una serie de fases: subenfriamiento, nucleación y crecimiento de los cristales formados, que están estrechamente influenciadas por variables termodinámicas, cinéticas y de producto. La modificación de estas variables puede producir cambios importantes en la distribución de los cristales de hielo y, como consecuencia, en la calidad del producto congelado. 1.1. SUBENFRIAMIENTO Antes de que se produzca la cristalización hay que colocar al producto en un estado termodinámicamente inestable que propicie el comienzo de la formación de agregados submicroscópicos de agua que produzcan la interfase adecuada, necesaria para la transformación de líquido a sólido. Esto se consigue con el subenfriamiento, o sea enfriando el producto por debajo de su punto de congelación. El grado de subenfriamiento necesario vendrá marcado por el inicio de la nucleación. En ausencia de un germen de nucleación estable, la separación de fases no es posible mientras las moléculas de líquido no se coloquen por sí mismas en la configuración del sólido.

290 Procesos de conservación de alimentos 1.2. NUCLEACIÓN La cristalización se inicia cuando las condiciones son apropiadas para que se produzca la agregación de un grupo de moléculas en una diminuta partícula ordenada, que se conoce como núcleo de cristalización. A temperaturas inferiores al punto de fusión, o sea en un estado de subenfriamiento, los agregados tienen una interfase con el líquido subenfriado termodinámicamente inestable. Mientras la relación superficie-volumen del agregado sea grande (es decir, mientras el volumen sea pequeño) la energía superficial total en la interfase constituye una barrera que dificulta su crecimiento. Cuando el tamaño del agregado se incrementa van ampliándose también sus probabilidades de crecimiento, hasta que se alcanza el llamado radio crítico en el que las probabilidades de crecer o de desintegrarse son las mismas. Más allá del radio crítico el agregado se considera un núcleo de cristalización activo y el proceso de crecimiento se convierte en espontáneo. Los factores que afectan al tamaño crítico del núcleo incluyen la energía interfacial, el calor latente de fusión y el grado de subenfriamiento. Cuanto mayor sea el subenfriamiento menor será el radio crítico a partir del cual los núcleos de cristalización alcanzarán la estabilidad. La nucleación puede ser homogénea o heterogénea. La nucleación homogénea se produce en sistemas puros y lleva a la formación de cristales tridimensionales. La probabilidad de que ocurra una nucleación homogénea en agua a 0ºC es prácticamente nula. Esta probabilidad se incrementa según crece el subenfriamiento, siendo máxima cuando se llega a los –40ºC. La nucleación heterogénea es más importante en los procesos de congelación. Este tipo de nucleación tiene lugar cuando el medio no es totalmente puro, y los agregados de agua se unen sobre un agente de nucleación extraño, como pueden ser las paredes del recipiente o más comúnmente alguna partícula de material insoluble. En contraste con la nucleación homogénea, la probabilidad de que ocurra la nucleación heterogénea con un subenfriamiento pequeño es alta, porque las partículas sobre las que se fijan los agregados incrementan su estabilidad facilitando el proceso. Parece ser que la nucleación heterogénea tiene una energía de activación menor que la homogénea, por lo que es razonable pensar que está producida por un mecanismo catalizado. Generalmente se acepta que la geometría del material de nucleación y particularmente sus propiedades de superficie juegan un importante papel en su capacidad de catálisis. Si la estructura de la partícula es compatible con la organización de las moléculas de agua en el agregado, la impureza facilitará su crecimiento. La nucleación heterogénea del agua solo exige su subenfriamiento hasta –4ºC, y produce cristales bidimensionales. Podemos distinguir un tercer tipo de nucleación, que sucede en los procesos de concentración por congelación de alimentos líquidos en cristalizadores por cargas. Se denomina cristalización secundaria o por contacto. A diferencia de la congelación de alimentos, en la que se favorece una nucleación extensiva, en la

Congelación

291

concentración por congelación se busca la aparición de pocos núcleos de cristalización, que produzcan cristales grandes, esféricos, de tamaño uniforme y de separación fácil. Los núcleos secundarios se forman cuando el desgaste microscópico de los cristales existentes en el cristalizador, producido por las palas del agitador, consigue que pasen a la fase líquida fragmentos de estos cristales. Si estos fragmentos sobreviven en la fase líquida, se consideran núcleos secundarios de cristalización que pueden crecer y propagarse. El resultado de este proceso es que la nucleación y el crecimiento de los cristales pueden producirse a mayor temperatura que la nucleación heterogénea. 1.3. CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES Durante el subenfriamiento las moléculas de agua se encuentran en un estado termodinámicamente inestable en el cual las fuerzas que tienden a ordenarlas son más importantes que las que tienden al desorden. A partir del momento en que la nucleación ya es efectiva, las moléculas de agua se mueven rápidamente para alcanzar la estabilidad termodinámica como cristales de hielo. El crecimiento de los cristales se produce cuando el número de moléculas de agua capaces de difundirse a lo largo de la interfase, y de situarse orientadas en una posición de crecimiento del cristal, es mayor que las que se separan del mismo. El mecanismo y la velocidad de crecimiento de los cristales dependen de la morfología de su superficie. Mientras la superficie sea rugosa y con muchos pliegues el crecimiento será continuo, pero cuando se vaya alisando se reducirá la velocidad de crecimiento y comenzarán a funcionar otros mecanismos. En condiciones de subenfriamiento ligero, la velocidad de crecimiento de los cristales se ve favorecida por los defectos que éstos tengan. En el caso de altas velocidades de enfriamiento, la existencia de defectos parece que tiene menos importancia ya que entonces las moléculas tienen mayor probabilidad de orientarse correctamente en ausencia de los pliegues. Si consideramos el crecimiento de cristales en una disolución acuosa, el problema se complica, ya que según se va separando hielo en forma pura la concentración del soluto en el líquido restante se incrementa, por lo tanto se producirá una depresión en la temperatura de congelación de la fase no congelada. Es decir que la temperatura de congelación se irá reduciendo a la vez que los cristales vayan creciendo. Si el crecimiento de los cristales se produce en los tejidos de un alimento, éste puede sufrir cambios microestructurales cuya extensión será función de la localización de los cristales de hielo, que dependerá de la velocidad de congelación y de la permeabilidad del tejido considerado. En el caso de tejidos vegetales, durante una congelación lenta el hielo se formará en los espacios extracelulares, resultando de esta forma que las células se verán rodeadas de una matriz rica en hielo, y por lo tanto de alta concentración en solutos, y a baja temperatura. Esto crea un gradiente osmótico entre el

292 Procesos de conservación de alimentos interior de la célula y la matriz extracelular que permitirá la transferencia de agua desde dicha célula hacia la matriz, que actuará como un intento del sistema de reducir el desequilibrio osmótico y térmico. Este agua que ha cambiado de posición se congelará en el exterior de la célula incrementando de tamaño a los cristales existentes y produciendo a la vez una deshidratación extensiva de las células, que presentarán una apariencia arrugada. Además, cuando la transferencia osmótica de agua es alta las paredes celulares pueden llegar a rasgarse. Por el contrario, si se consigue una eliminación de calor rápida, en comparación con la pérdida de agua osmótica, el agua se congelará dentro y fuera de las células formando pequeños cristales, obteniéndose así un producto congelado de mejor calidad. Esto ocurrirá principalmente cuando la permeabilidad de los tejidos sea baja, de forma que el agua pueda subenfriarse dentro de la célula hasta el punto en que comience a formarse hielo intracelular. Si por el contrario la permeabilidad es alta, la célula tenderá a deshidratarse sea cual sea la velocidad de enfriamiento. Los tejidos animales presentan propiedades diferentes. En este caso la membrana es menos efectiva en cuanto a la propagación de agua, por lo que prevalece la formación de hielo intracelular. En general la estructura de la carne se ve menos afectada por la congelación que la de los vegetales, debido parcialmente a la naturaleza flexible de sus fibras en comparación con la naturaleza semirígida de las células vegetales. 1.4. RECRISTALIZACIÓN DURANTE EL ALMACENAMIENTO DEL CONGELADO Los cristales de hielo son inestables y cambian de tamaño, forma y número durante el almacenamiento a temperaturas de congelación. Este fenómeno se conoce como recristalización, y puede ser extremadamente dañino para la textura de los alimentos. El proceso de recristalización puede producirse a temperatura constante o a temperatura variable. A temperatura constante se produce la unión de cristales adyacentes como resultado de que el sistema tiende a reducir su superficie para incrementar su estabilidad. Si la temperatura fluctúa, en el momento en que se incremente se producirá la fusión de los cristales pequeños y, cuando vuelva a descender, el agua producida cristalizará sobre la superficie de otros cristales incrementando su tamaño, ya que la probabilidad de que se vuelvan a producir núcleos de cristalización independientes será prácticamente nula. El resultado neto de ambos procesos es que el número de cristales disminuye mientras que el tamaño medio se incrementa, aunque la cantidad de hielo permanezca relativamente constante. La mejor forma de reducir el grado de recristalización durante el almacenamiento en congelación consiste en utilizar temperaturas bajas y lo más uniformes posible.

Congelación

293

1.5. EL ESTADO VÍTREO Los sistemas alimentarios son muy complejos y contienen concentraciones relativamente altas de solutos que se ven incrementadas, cuando comienza el proceso de congelación, por la consiguiente separación de cristales puros de agua. El estado vítreo aparece cuando un líquido, por lo tanto de estructura molecular desordenada, se enfría muy rápidamente por debajo de su temperatura de congelación de forma que la movilidad translacional de sus moléculas disminuye tanto que son incapaces de alcanzar su posición de equilibrio para formar la estructura cristalina. Por ello, la solidificación ocurre con las moléculas dispuestas en forma desordenada, con un volumen y una entalpía mayores de los que debería tener el estado ordenado (cristal) a la misma temperatura. La formación de un estado vítreo en un alimento se consigue por eliminación de grandes cantidades de agua, como ocurre durante la congelación. Esto será posible si los solutos presentes en el sistema (monosacáridos, disacáridos o material polimérico) no cristalizan y por lo tanto no forman una mezcla eutéctica, como suele ocurrir en la mayoría de los casos con los alimentos. Cuando se congela una solución de estos productos, la continua separación de hielo incrementa la concentración de soluto y deprime el punto de congelación de la fase líquida no congelada. El incremento de viscosidad de la fase no congelada, debido al aumento de su concentración y a la reducción de su temperatura, restringe la movilidad del agua para alcanzar las posiciones de equilibrio, necesarias para la formación de cristales de hielo, hasta un punto en que la formación de más hielo queda imposibilitada. A la temperatura a la que se consigue este efecto se le denomina Tg’ (figura 1), en este punto la solución sobresaturada tiene las propiedades de un sólido ya que ha desaparecido la movilidad molecular. Este equilibrio termodinámico se puede representar en un diagrama de fases como una línea que se extiende desde la temperatura de fusión del agua pura (Tf = 0ºC) hasta la temperatura eutéctica del soluto (Te), punto en el que el soluto ha alcanzado su concentración de saturación al convertirse en hielo el agua de la solución. Si se hace descender la temperatura por debajo de Te, es altamente improbable que el soluto pueda cristalizar, debido a la alta viscosidad de la solución producida por la concentración alcanzada y la baja temperatura. Por lo tanto, al descender la temperatura por debajo de Te el proceso entra en un estado de equilibrio no estable. La fase líquida no congelada pasa por una transición que la lleva de líquido viscoso al estado vítreo y que está controlada por la reducción de la movilidad molecular y la cinética de difusión de sus componentes. La línea de transición vítrea se extiende desde la temperatura de transición vítrea del agua pura (Tg H20 = –134ºC) a la del soluto puro (Tg soluto). Por debajo y a la derecha de la línea de transición vítrea, la solución se encuentra en estado vítreo, con presencia o no de hielo según a la temperatura que se encuentre. Por arriba y a la izquierda de la línea de transición vítrea, la solución se encuentra en estado líquido, en el que aparecerá o no hielo según a que temperatura se considere.

294 Procesos de conservación de alimentos Por ejemplo: Una solución de sacarosa con una concentración inicial C1 a temperatura ambiente estará representada por el punto A. El punto B representaría la temperatura de transición vítrea de esta solución si se pudiera enfriar hasta ese punto sin que se produjera formación de hielo.

Figura 1.–Diagrama de fases para una disolución acuosa.

Sin embargo, cuando el sistema se enfría lentamente por debajo de su punto de congelación, en el punto C comenzarán la nucleación y la consiguiente cristalización, iniciándose el proceso de concentración por congelación al separarse agua pura en forma de hielo. Si el proceso de congelación continúa, la cristalización seguirá su curso, produciéndose un incremento continuo de la concentración del soluto que conseguirá deprimir cada vez más el punto de congelación de la fase líquida no congelada, que seguirá la línea de líquido de la figura. La cristalización del soluto al llegar a la temperatura Te es improbable, por lo que la concentración de la solución continuará más allá de Te en un estado que ya no es de equilibrio porque la solución se encuentra sobresaturada. Cuando se alcanza una determinada concentración, el líquido no congelado exhibe una gran resistencia a la movilidad y el estado de la fase líquida no congelada cambia de líquido visco-elástico a sólido vítreo, amorfo y quebradizo. Se ha alcanzado la intersección de la curva de líquido (prolon-

Congelación

295

gada más allá de la temperatura Te) y la curva de transición vítrea. El punto D de la figura se encuentra a la temperatura vítrea de máxima concentración por congelación del soluto T’g, en el que la formación de hielo es tan lenta que prácticamente cesa. La concentración máxima de agua y de sacarosa atrapadas en el estado vítreo a la temperatura T’g y que no podrán cristalizar es respectivamente W’g y C’g. La lentitud intrínseca en la reorganización molecular que se alcanza a temperaturas inferiores a T’g es la que se busca para incrementar la estabilidad de los alimentos congelados.

2. EFECTOS DE LA CONGELACIÓN SOBRE LOS ALIMENTOS La congelación es un sistema de conservación que puede afectar en determinado grado a la calidad de los alimentos. Por lo tanto será necesario estudiar los efectos que este tratamiento tiene sobre la estructura de los productos (evidentemente de aquellos que la tengan), que van a exteriorizarse como cambios en su textura, y los efectos sobre la flora microbiana presente en el alimento, que van a ser determinantes de la vida media del producto después de ser descongelado. 2.1. MODIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA POR EFECTO DE LA CONGELACIÓN Los alimentos se pueden clasificar en dos grandes grupos: • los que constituyen un sistema biológico organizado, provisto de una estructura celular ordenada, como pueden ser las frutas, las hortalizas, los tubérculos, las carnes, etc. • los que no poseen una estructura celular organizada, como los zumos de frutas. Los primeros serán los que estarán en condiciones de sufrir los efectos perjudiciales de la congelación, ya que son los que tienen unas estructuras que pueden verse afectadas por la aparición de los cristales de hielo. A continuación se exponen las modificaciones que pueden aparecer en la estructura de estos alimentos a causa del proceso de congelación. 2.1.1. Daños mecánicos provocados por el incremento de volumen del agua al congelarse El agua pura a 0ºC incrementa un 9% aproximadamente su volumen al congelarse a la misma temperatura. Por lo tanto, la formación de hielo irá siempre acompañada de un incremento en el volumen ocupado en la estructura del producto congelado, que producirá daños de mayor o menor magnitud de acuerdo con las características del tejido que se esté congelando. Los materia-

296 Procesos de conservación de alimentos les con un elevado contenido en agua y pocos espacios intercelulares con aire son especialmente susceptibles a este tipo de daño, ya que no podrán acomodar en sus espacios intercelulares los cristales en crecimiento, minimizando los efectos del incremento de volumen. En las muestras de gran tamaño la superficie exterior solidifica antes que el interior de la pieza. Cuando se congela el interior, y por lo tanto incrementa su volumen, se pueden generar presiones muy altas que llegan a conseguir la ruptura violenta de la capa exterior, con la pérdida de calidad que esto comporta. 2.1.2. Daños mecánicos provocados por la migración del agua En apartados anteriores se ha visto que la velocidad de congelación va a determinar que la cristalización se produzca extra e intracelularmente o bien únicamente en los espacios intercelulares. Cuando se produce este último caso las células se deshidratan a causa del flujo osmótico de agua que sale de su interior hacia el espacio extracelular. Esta migración conseguirá que la célula sufra un efecto plasmolítico más o menos severo que podrá producir incluso la rotura de las paredes celulares. 2.2. DAÑOS CAUSADOS POR LOS CAMBIOS EN LA DISPOSICIÓN ESPACIAL DE LOS SOLUTOS Se ha visto que el crecimiento de los cristales se realiza tomando agua del sistema biológico que se esté congelando, y que la separación del agua de las disoluciones de las que formaba parte va convirtiéndolas en soluciones progresivamente más concentradas, a la vez que va reduciéndose su punto de congelación. En estas condiciones, y mientras se completan las etapas del cambio de estado, se producen migraciones de solutos, que se desplazan de las zonas en que primeramente se inicia la cristalización (en las que la concentración de solutos en la fase no congelada es por tanto más alta) hacia las que se congelan en último lugar y en las que, por lo tanto, las concentraciones de solutos no se han modificado y son por ello menores. Este cambio de posición espacial de los solutos es tanto más importante cuanto más lento sea el proceso de congelación, y puede provocar modificaciones indeseadas en propiedades tan importantes como: el pH, la acidez valorable, la viscosidad, la presión osmótica, la tensión de vapor, la tensión superficial y el potencial redox. 2.3. INFLUENCIA DE LA CONGELACIÓN SOBRE LA FLORA DE LOS ALIMENTOS La actividad de los microorganismos presentes en los alimentos se detiene a temperaturas de congelación. Cuando se disminuye la temperatura solo son capaces de crecer los microorganismos psicrófilos, aunque su grado de multi-

Congelación

297

plicación será progresivamente más bajo según descienda la temperatura. El límite de desarrollo de estos microorganismos se sitúa a –12/–17ºC, salvo raras excepciones, por lo tanto a las temperaturas de almacenamiento de congelados habituales (–18ºC) se podrá aceptar que los alimentos están prácticamente libres de desarrollo microbiano. Sin embargo, cuando el crecimiento microbiano se detiene por el empleo de temperaturas bajas, la actividad enzimática de origen microbiano puede continuar, y esto es importante en este caso ya que se ha demostrado que los microorganismos psicrófilos producen mayor cantidad de enzimas durante su crecimiento a bajas temperaturas que a altas temperaturas. De este modo se puede producir el deterioro de los alimentos por estas enzimas incluso a temperaturas demasiado bajas para que se produzca crecimiento de microorganismos. Se ha demostrado que las temperaturas de congelación producen la muerte de algunos microorganismos de importancia en los alimentos, consiguiéndose una reducción en el número de microorganismos viables presentes. Ahora bien, en ningún caso se puede hablar de esterilización del producto, por lo que los alimentos deberán poseer una buena calidad microbiológica antes de ser congelados. Es importante resaltar que los microorganismos patógenos para el hombre no son psicrófilos, por lo que los microorganismos viables producirán en su caso el deterioro del producto y no afectarán a la salud del consumidor. El efecto letal producido por la congelación se cree que es debido a la desnaturalización y floculación de las proteínas celulares. La media de gérmenes destruidos viene a ser del 50-80%, dependiendo el efecto letal conseguido del sustrato, del método de congelación y de la velocidad a la que se produzca el proceso. Una bacteria en fase de crecimiento logarítmico es destruida con mayor facilidad que en otras fases, y sus esporas suelen se más resistentes que las formas vegetativas. Está demostrado que las temperaturas comprendidas entre –1 y –5ºC son las que destruyen las bacterias a mayor velocidad. Las temperaturas de congelación y almacenamiento muy bajas no son más letales que las moderadamente bajas, lo mismo que la congelación rápida disminuye muy poco el número de bacterias presentes en el alimento. Es decir que el sistema de congelación menos adecuado para mantener la calidad del producto original, la congelación lenta, va a ser el que presente una mayor letalidad frente a la flora existente en el alimento. El número de microorganismos viables también descenderá al prolongar el tiempo de almacenamiento, aunque este descenso es muy gradual, pudiendo sobrevivir ciertos microorganismos después de varios años de conservación. No hay que olvidar que en un proceso de congelación se produce una eliminación del agua disponible en forma de cristales de hielo, por lo tanto la congelación a través de su efecto sobre el agua disponible, va a ejercer una acción selectiva sobre la microflora del alimento, que completará a la ya descrita de las bajas temperaturas. Después de todo lo dicho, no hay que perder de vista que la congelación en ningún caso va a conseguir un efecto significativo sobre la flora microbiana

298 Procesos de conservación de alimentos presente en el alimento, ya que en el momento de la descongelación la población que permanezca en disposición de multiplicarse será capaz de deteriorar al alimento en un tiempo muy corto ya que, como también se ha visto, este proceso habrá producido daños en la estructura celular del alimento que facilitarán el ataque de los microorganismos.

3. PREDICCIÓN DEL TIEMPO DE CONGELACIÓN

Temperatura °C

El tiempo de congelación es un parámetro básico para el diseño de los sistemas de congelación, y determina las condiciones en las que el alimento se expone este proceso para alcanzar la temperatura final deseada y la calidad buscada. Generalmente se entiende como tiempo de congelación el requerido para que el producto pase de su temperatura inicial hasta la que se haya establecido como final, midiendo esta temperatura en la localización en la que el enfriamiento se produzca más lentamente. La evolución de la temperatura en un proceso de estas características se muestra en la gráfica 1. En el proceso de congelación descrito por dicha gráfica se pueden distinguir varias etapas: • Tramo A-B: enfriamiento del producto desde la temperatura inicial hasta la temperatura de subenfriamiento. En este tramo se transfiere calor sensible.

Gráfica 1.–Evolución de la temperatura durante el proceso de congelación.

Congelación

299

• Tramo B-C: subenfriamiento. La congelación solo comienza después de haberse alcanzado un determinado grado de subenfriamiento, a continuación se produce un ligero incremento de la temperatura cuando se comienza a liberar calor latente a mayor velocidad que la conseguida por el sistema de congelación en su disipación. • Tramo C-D: congelación propiamente dicha. En este tramo se transfiere fundamentalmente calor latente, por lo tanto la temperatura se mantiene casi constante. La ligera disminución de la temperatura que se aprecia se debe al incremento de concentración de la fase no congelada, que produce un descenso del punto de congelación. En la mayoría de los casos es muy difícil determinar la posición del punto D, por lo que habitualmente se fija en el momento en que el producto alcanza la temperatura de –4ºC, que corresponde en la mayoría de los casos a la congelación de aproximadamente un 70% del agua del alimento. • Tramo D-E: subenfriamiento del congelado. En este tramo la temperatura del producto desciende hasta alcanzar el nivel deseado para final del proceso, por lo tanto se intercambia fundamentalmente calor sensible. La simulación de la congelación no es tarea fácil, ya que como se ha visto, en el proceso completo se encuentran tramos en los que se intercambia calor sensible (en los que se pueden considerar invariables las propiedades termofísicas del producto), mientras que en otro se intercambia fundamentalmente calor latente, y se produce el consiguiente cambio de estado en el que sufren una sustancial variación las propiedades del producto: densidad, calor específico, conductividad térmica y por lo tanto difusividad térmica. La simulación de los tramos en los que no hay cambio de estado puede hacerse del mismo modo que se hizo en el Capítulo IV para simular el calentamiento de los alimentos durante los tratamientos térmicos, empleando la ecuación general que describe la variación de la temperatura en función del tiempo en un proceso de transmisión de calor, que para un cuerpo tridimensional tomaría la forma, si se acepta que la difusividad térmica permanece constante durante el proceso: 2 2 2 δT = α δ T2 + δ T2 + δ T2 δt δx δy δz

[

donde: α = difusividad térmica (m2.s–1) T = temperatura (K o ºC) t = tiempo (s) x = desplazamiento en la coordenada x (m) y = desplazamiento en la coordenada y (m) z = desplazamiento en la coordenada z (m)

]

300 Procesos de conservación de alimentos La simulación del tramo de congelación propiamente dicha es más compleja, ya que es necesario además simular con la suficiente precisión la evolución de las propiedades termofísicas del producto durante el cambio de estado. Esta dificultad ha llevado a que históricamente se hayan utilizado modelos más sencillos, que sin embargo son capaces de llegar a un resultado suficientemente aproximado para su empleo industrial. El modelo más utilizado es el propuesto por Plank en 1913 y adaptado para los alimentos por Ede (1949), que se expresa con la siguiente ecuación:

tc =

ρ·L Tc – Tm

[

P·a R · a2 + h k

]

donde: tc = tiempo de congelación (s) ρ = densidad del producto congelado (kg.m–3) L = calor latente de fusión (J.kg–1) Tc = temperatura de congelación del producto Tm = temperatura del medio de congelación a = dimensión característica del producto (m) h = coeficiente de transferencia de calor por convección (W.m–2.K–1) k = conductividad térmica del producto congelado (W.m–1.K–1) P y R = coeficientes que dependen de la forma del producto, que toman los valores siguientes:

Lámina infinita

P

R

1/2

1/8

Cilindro infinito

1/4

1/16

Esfera

1/16

1/24

En el caso de cuerpos paralelepipédicos, los valores de P y R se obtienen de la gráfica 2. Los valores de β1 y β2 necesarios para entrar en dicha gráfica se obtienen dividiendo los valores de la longitud de las dos aristas más largas del paralelepípedo por el de la más corta. En la ecuación de Plank, la dimensión característica a es el espesor para la lámina infinita, mientras que para el cilindro infinito y la esfera es el diámetro. A pesar del uso que se ha hecho del modelo de Plank, éste tiene grandes limitaciones. En primer lugar, se asume que la congelación se produce a temperatura constante, lo que ya se ha visto que no es cierto, además se consideran también constantes el calor latente de fusión y la conductividad térmica durante el proceso de congelación.

Congelación

301

Gráfica 2.–Valores de P y R para cuerpos paralelepipédicos en la ecuación de Plank.

Otra gran limitación de este modelo es que solamente considera el tiempo efectivo de congelación, sin tener en cuenta los tiempos que transcurren para que el producto pase de la temperatura inicial a la de congelación y de ésta a la final de tratamiento. Para eliminar esta limitación se han propuesto una serie de modificaciones a la ecuación inicial, buscando obtener unos resultados más ajustados a la realidad, entre las que cabe destacar la efectuada por Nagaoka: tc =

ρ · L’ Tc – Tm

[

P·a R · a2 + h k

]

donde: L’ = [1 + 0,00445 (T0 – Tc)][cpi (T0 – Tc) + Xw · L + cpc (Tc – Tf)] siendo: T0 = temperatura inicial del producto Tc = Temperatura de congelación Tf = temperatura final del producto cpi = calor específico del producto antes de congelar (J.kg–1.K–1) cpc = calor específico del producto congelado (J.kg–1.K–1) Xw = contenido en agua del producto (tanto por uno en base húmeda) L = calor latente de fusión del hielo (J.kg–1)

302 Procesos de conservación de alimentos Como se puede apreciar, en esta modificación de la ecuación de Plank se tiene en cuenta la entalpía intercambiada en el enfriamiento del producto hasta la temperatura de congelación, y en el que consigue llevarlo hasta la temperatura final de proceso. Pese a mantener algunas de las limitaciones del modelo de Plank, esta modificación consigue resultados aceptables para el cálculo de la duración del proceso de congelación y además permite analizar el peso de las distintas variables que intervienen en este proceso. En primer lugar se puede observar que el tiempo de congelación es directamente proporcional a la dimensión característica del producto, lo que significa que para reducir los tiempos de congelación se deberá reducir su espesor o su diámetro. La forma del producto ejercerá una gran influencia sobre el tiempo de congelación, ya que la velocidad de congelación de una esfera es mayor que la del cilindro del mismo diámetro y que la de la placa del mismo espesor, según se desprende de los valores respectivos para los coeficientes P y R. En el proceso de congelación intervienen dos mecanismos de transmisión de calor: transmisión de calor por convección desde el medio enfriador hasta la superficie del producto (salvo en el caso de los congeladores por contacto), y transmisión de calor por conducción en la masa del producto. El peso relativo de cada mecanismo dependerá en cada caso del tamaño del producto: cuando el espesor del producto es pequeño el mayor peso lo tendrá el proceso de convección y será la conducción la que tenga el mayor peso en el caso de productos de gran espesor. Como la conductividad térmica del producto depende de su composición y es un factor sobre el que no es posible intervenir, solo se puede actuar sobre el coeficiente de convección, h, que depende directamente del sistema de congelación que se haya elegido, y de las condiciones en la que esta se realice, encontrándose en la práctica grandes diferencias como puede verse en la tabla 1. Tabla 1. Valor del coeficiente de convección para los distintos sistemas de congelación h (W.m–2.K–1)

Congelación en cámara sin aire en movimiento

6

con débil corriente de aire

10-17

con alta corriente de aire

12-50

Congelación en túnel con alta velocidad de aire

35-60

Congelación en lecho fluidizado

90-130

Congelación en placas múltiples

600-1.200

Congelación por pulverización de nitrógeno líquido Congelación por inmersión en nitrógeno líquido

1.200-2.400 6.000

Congelación

303

El último factor a considerar en este proceso es el salto térmico entre la temperatura del medio enfriador y la de congelación del producto. Para reducir el tiempo de congelación se puede actuar sobre la temperatura del medio enfriador haciéndola tan baja como sea posible. Cuanto más bajo sea el coeficiente de transmisión de calor por convección del sistema de congelación empleado, más necesario será que la temperatura del agente enfriador sea baja, si se pretenden velocidades altas de congelación.

4. MODIFICACIONES DE LA CALIDAD DEL PRODUCTO DURANTE SU ALMACENAMIENTO EN CONGELACIÓN La calidad de los alimentos congelados no permanece invariable durante todo el tiempo de almacenamiento, se va reduciendo en función de la temperatura de conservación y del tipo de producto considerado. Los cambios producidos en el alimento se deberán fundamentalmente a fenómenos físicos y químicos, ya que a las temperaturas de almacenamiento no se produce crecimiento microbiano. 4.1. ALTERACIONES DE LA CALIDAD DEBIDAS A FENÓMENOS FÍSICOS Las alteraciones más importantes que tienen lugar desde este punto de vista se deben a dos fenómenos: recristalización y sublimación, que tienen que ver con la estabilidad del hielo en el interior y en la superficie del producto. El proceso de recristalización ya se ha descrito con anterioridad en este mismo Capítulo, sin embargo hay que resaltar que la recristalización puede eliminar las ventajas derivadas de una congelación rápida. La sublimación del hielo en la superficie del producto puede ocurrir durante el almacenamiento del alimento, llevándolo a la desecación, con la consiguiente acumulación de escarcha dentro del envase. Además de producirse la consiguiente pérdida de peso, este proceso puede incrementar el riesgo de oxidación en superficie, lo que influye negativamente en la calidad del congelado. Ambos procesos, recristalización y desecación superficial, se aceleran con las fluctuaciones de temperatura de almacenamiento y su importancia se reduce cuanto más baja es esta temperatura. 4.2. ALTERACIONES DE LA CALIDAD DEBIDAS A FENÓMENOS QUÍMICOS Pese a las bajas temperaturas, en la conservación de alimentos congelados, pueden producirse una serie de reacciones químicas debidas o no a procesos

304 Procesos de conservación de alimentos enzimáticos. Su influencia en la calidad de los productos es muy grande, porque estas reacciones están asociadas, por ejemplo en los vegetales, con cambios en el aroma y en el color por causa de la rotura de las moléculas de los pigmentos, por la aparición del pardeamiento enzimático o por la autooxidación del ácido ascórbico. El etanol y otros volátiles producidos por la glicolisis se acumulan en los tejidos vegetales que no han sido convenientemente escaldados. Esta acumulación produce malos sabores y olores que pueden mantenerse incluso después del cocinado. Cuando los productos se han sometido a un escaldado eficiente, en el que se hayan inactivado las oxidasas presentes, no se desarrollarán malos sabores ni olores durante el almacenamiento. Los vegetales congelados sufren también alteraciones más o menos intensas en el color durante el almacenamiento, debidas a los cambios que se producen en los pigmentos naturales: clorofilas, antocianinas y carotenoides, o por pardeamiento enzimático. El color característico de guisantes, judías verdes y espinacas tiende a pardear durante al almacenamiento a –18ºC debido a la transformación de las clorofilas a y b en sus correspondientes feofitinas. Estos cambios de color se producen a mayor velocidad en los productos que no se han escaldado correctamente o en los almacenados a temperaturas excesivamente altas. En la tabla 2 se puede ver el tiempo necesario para que se produzca la pérdida de un 10% de clorofila en distintos productos y a varias temperaturas. Tabla 2. Tiempo necesario (meses) para que se produzca una pérdida del 10% de clorofila

Producto

Temperatura de almacenamiento –18ºC

–12ºC

–7ºC

Guisantes

43

12

2,5

Hojas de espinaca

30

6

1,6

Espinaca troceada

14

3

0,7

Judías verdes

10

3

0,7

Puede observarse la influencia del troceado y de la temperatura de almacenamiento en la velocidad de degradación de la clorofila. Los cambios de color producidos por la degradación de antocianinas y carotenoides también se evitan con un escaldado apropiado, que eliminará la lipoxigenasa y los peróxidos derivados de los ácidos grasos poliinsaturados. El escaldado es también el mejor sistema para prevenir el pardeamiento enzimático producido por la oxidación de los polifenoles catalizada por la polifenol oxidasa, aunque también se puede controlar en algunos alimentos por adición de ácido cítrico, metabisulfito, o con el uso de secuestrantes como los pirofosfatos. Un escaldado inapropiado de los tejidos vegetales puede permitir la oxidación del ácido ascórbico catalizada por la enzima ascorbato oxidasa, sobre todo

Congelación

305

si se emplean envases permeables al oxígeno. La velocidad de oxidación de ácido ascórbico depende de la temperatura de almacenamiento y del pH del producto. Pequeñas elevaciones de la temperatura por encima de –18ºC pueden influir de forma muy importante en la degradación de este ácido. La estabilidad del ácido ascórbico se incrementa cuando se reduce el pH. 4.3. EFECTO COMBINADO DEL TIEMPO Y DE LA TEMPERATURA DURANTE EL ALMACENAMIENTO

Tiempo almacenamiento (meses)

El deterioro de la calidad inicial del producto debido a los cambios físicos y químicos es función de la temperatura y de la duración del almacenamiento. El efecto combinado de esos dos factores: tiempo y temperatura (TT) determina la tolerancia (T) del producto al almacenamiento en congelación, apareciendo así los que se llaman factores TTT. Para casi todos los alimentos congelados la duración posible de almacenamiento aumenta cuando la temperatura disminuye. La relación duración/temperatura está recogida por las curvas TTT que pueden verse en la gráfica 3. En esta gráfica puede verse que, generalmente, la duración posible de almacenamiento aumenta cuando baja la temperatura, aunque existan excepciones a esta afirmación, ya que algunos productos como el tocino y las carnes saladas tienen una duración máxima de conservación a –12ºC.

Gráfica 3.–Curvas TTT para algunos alimentos.

306 Procesos de conservación de alimentos Los estudios efectuados sobre los factores TTT han permitido concluir que, en condiciones normales, los efectos combinados del tiempo y de la temperatura sobre la calidad de los alimentos son acumulativos y el efecto total resultante es independiente de su secuencia. En otros términos, si un producto se almacena 8 meses a –20ºC y después 2 meses a –12ºC, su calidad será la misma que si se almacenase primero 2 meses a –12ºC y después 8 meses a –20ºC. Los valores de duración posible de almacenamiento dados por las curvas TTT se han obtenido de productos con una alta calidad inicial que fueron procesados, envasados y almacenados en las mejores condiciones. Si se usan materias primas de menor calidad, procesadas y envasadas de forma inadecuada y almacenadas a temperatura fluctuante, la duración del almacenamiento posible será substancialmente más corta que la recogida en estas curvas. 4.4. FACTORES PPP Los factores que se engloban bajo las letras PPP: producto-proceso-embalaje (packaging) son determinantes para la estabilidad de la calidad del alimento congelado durante su almacenamiento, junto con los factores TTT que se estudiaron en el apartado anterior. 4.4.1. Factor producto En este factor se engloba la naturaleza y calidad original de la materia prima congelada. Ciertos alimentos se conservan mejor en congelación que otros, por ejemplo la carne de vacuno se conserva mejor que la de cerdo, esencialmente porque la primera contiene menos ácidos grasos insaturados. La duración en conservación de las hortalizas congeladas depende de la especie y variedad de que se trate, de las condiciones agronómicas del cultivo, del grado de madurez en la cosecha y del tiempo transcurrido entre la recolección y la congelación. Las condiciones agronómicas incluyen el tipo de suelo, la fertilización aplicada, las condiciones climáticas sufridas durante el cultivo, el exceso o carencia de agua, etc. En el tiempo que transcurre desde la cosecha a la congelación los productos vegetales tienden a deshidratarse, a perder turgencia, algunos se vuelven fibrosos como los espárragos, o incrementan su dureza (como los guisantes) a gran velocidad, produciéndose en pocas horas las mismas pérdidas de calidad que tendrían lugar en varios meses de conservación a –18ºC, si no se les practica un preenfriamiento rápido y un transporte en refrigeración hasta la planta de congelación. 4.4.2. Factor proceso Las diferentes operaciones a las que se somete el producto antes de ser almacenado en estado congelado influyen de forma notable en la duración de su conservación. Comenzando por el lavado y todas las operaciones que le

Congelación

307

siguen: pelado, troceado, selección, etc. Todas ellas deben realizarse con el mayor cuidado y en las mejores condiciones de higiene, para prevenir las contaminaciones y los daños mecánicos que se puedan producir. El troceado, el corte en rodajas y las operaciones similares aumentan la superficie del producto expuesta al aire a la vez que producen lesiones muy importantes en los tejidos, por lo que se favorecerán las oxidaciones, las deshidrataciones y las alteraciones enzimáticas. El escaldado previo a la congelación de los vegetales tiene una gran influencia en su calidad. Los objetivos buscados por el escaldado se trataron con detalle en el Capítulo VI. La duración del proceso de escaldado dependerá del método usado para aplicarlo, del producto de que se trate, de su variedad, calibre, madurez y evidentemente de la temperatura elegida. La efectividad del proceso de escaldado se suele medir comprobando la actividad peroxidásica residual, ya que ésta es la enzima de mayor resistencia térmica de las presentes, aunque también resulten destruidas las oxidasas, catalasas y lipoxigenasas. En la mayoría de los alimentos la operación de congelado propiamente dicha no tiene mas que una influencia limitada en la calidad, aunque generalmente se impone una congelación rápida que propicie la formación de muchos cristales de hielo de pequeño tamaño que tengan la menor incidencia posible sobre la integridad de los tejidos del alimento y a la vez impida el desarrollo de microorganismos y la actividad enzimática residual antes de que la temperatura descienda suficientemente en el interior del producto. 4.4.3. Factor embalaje Los productos congelados pueden sufrir daños mecánicos y alteraciones fotoquímicas cuya intensidad dependerá fundamentalmente del tipo de envase empleado. El material empleado en el embalaje de productos congelados debe cumplir las condiciones que se exigen al utilizado para envasar los alimentos en general: debe ser químicamente inerte y estable, libre de olores, libre de sustancias que puedan migrar al alimento e impermeable al vapor de agua, a las sustancias volátiles y a los olores externos. Además deberá permitir la congelación rápida del alimento en su interior y soportar su incremento de volumen durante la congelación (en el caso de que se congele envasado), ser impermeable a los líquidos, resistente a la humedad y a las bajas temperaturas, tan opaco a la luz como sea posible y permitir que el alimento sea tratado en microondas en su interior en el momento de la descongelación. Los alimentos susceptibles de sufrir alteraciones o pérdidas de aroma, pardeamiento enzimático o reducciones en la concentración de ácido ascórbico en presencia de oxígeno, mejoran su almacenamiento en congelación con el uso de envases impermeables a gases que permitan eliminar el oxígeno de su interior creando un vacío parcial o por inyección de un gas inerte, como puede ser el nitrógeno.

308 Procesos de conservación de alimentos

5. EQUIPOS PARA LA CONGELACIÓN DE ALIMENTOS La congelación de alimentos se realiza generalmente en tres grandes grupos de congeladores, clasificados en función del medio de transmisión térmica: • por contacto directo, • por aire, • criogénicos. La elección de uno u otro de estos sistemas habrá de hacerse de acuerdo con el producto que se quiera congelar, sus dimensiones externas, su forma y según se trate de un producto envasado o a granel. Generalmente los congeladores por aire son los más universales en el momento de su utilización, aunque esto no quiere decir que siempre sean la mejor solución para todos los productos. Los congeladores por contacto exigen para su correcta utilización que el producto tenga formas regulares, mientras que los criogénicos convienen a los que tengan formas irregulares y se quieran congelar de forma individualizada. 5.1. CONGELADORES POR CONTACTO DIRECTO En estos aparatos, el alimento se pone en contacto con una placa o una banda metálica desde donde se realizará la transmisión térmica por conducción. Estos dispositivos aseguran un tiempo corto de congelación siempre que el producto sea un buen transmisor del calor y su espesor no sea excesivo. Las ventajas de este procedimiento disminuyen cuando aumenta el espesor del producto, estando éste limitado normalmente a 50-60 mm, a partir del cual los tiempos de congelación son demasiado largos. Es muy importante que durante todo el proceso de congelación se mantenga un contacto estrecho entre el producto y la superficie congeladora. Se distinguen tres tipos de congeladores por contacto directo: de placas, de bandas y de tambor rotativo. 5.1.1. Congeladores de placas Es el congelador de contacto directo más utilizado. Consta de una serie de placas huecas, dispuestas horizontal o verticalmente, entre las que se deposita el producto a congelar. En el interior de las placas se produce la evaporación del frigorígeno, o bien circula un fluido refrigerante, que será llevado a la temperatura requerida en un equipo frigorífico auxiliar. En la figura 2 se muestra el esquema del congelador de placas horizontales más sencillo. Consta de un conjunto de placas dispuestas dentro de un recinto aislado. La placa superior está unida a un cilindro hidráulico que se encarga de producir los movimientos de separación y de aproximación de las placas. El producto a congelar se coloca en unas bandejas o cuadros metálicos y se introduce entre dos placas. Cuando todas las placas están ocupadas con el producto

Congelación

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se pone en marcha el gato hidráulico que se encarga, debido a la presión que ejerce, de mantener un buen contacto entre las placas y las superficies superior e inferior del producto. En este momento empieza el proceso de congelación.

Cilindro hidráulico

Placa Separador Alimento

Figura 2.–Esquema de un congelador de placas.

La presión que se ejerce sobre el alimento durante la congelación evitará el hinchamiento que se produce al aumentar de volumen el producto, y que será inevitable si se emplea cualquier otro sistema de congelación. Con el fin de automatizar la operación en estos congeladores, se instala un elevador del conjunto de placas que va haciendo que éstas se muevan hacia arriba y hacia abajo, de forma que una a una las placas vayan coincidiendo con el transportador de carga, por el que se alimenta el equipo. Las placas que coinciden con el transportador se separan y un sistema automático introduce una fila de producto sin congelar, a la vez que por la parte opuesta se descarga simultáneamente una fila de producto ya congelado. La operación se repite hasta que todos los productos congelados existentes en la placa han sido sustituidos por otros sin congelar, a continuación actúa el gato hidráulico, se suprimen los espacios libres, comienza el ciclo de congelación para este producto a la vez que el elevador hace coincidir otra placa con el nivel del transportador de alimentación. En la figura 3 se muestra un congelador de placas horizontales automático. Los congeladores de placas verticales se desarrollaron para la congelación de pescado en alta mar. Están compuestos por varias placas que forman los tabiques verticales de un arcón sin tapa. El producto se alimenta por la parte superior, a granel, dejándolo caer simplemente entre las placas. Cuando se ha concluido la congelación, los bloques obtenidos (que suelen pesar de 10 a 15 kg) se descargan lateralmente, por arriba o por abajo, según los modelos, normalmente con la ayuda de un sistema automatizado: aire comprimido o gato hidráulico, después de un corto periodo de desescarche para que el producto se separe fácilmente de las placas.

310 Procesos de conservación de alimentos Con los congeladores de placas se alcanzan elevados coeficientes globales de transmisión de calor, por lo que el tiempo para la congelación de productos vegetales viene a ser de 2 h, para envases de 30-60 mm de espesor, trabajando a una temperatura de –33ºC.

Figura 3.–Congelador automático de placas Autoplate (Frigoscandia).

5.1.2. Congeladores de bandas Están concebidos para congelar capas delgadas de productos: filetes de pescado, hamburguesas, etc. Consisten en una banda de acero inoxidable que circula por el interior de un recinto aislado sobre unos tanques de salmuera refrigerada, sobre la que prácticamente flota o que se pulveriza sobre ella (figura 4). El producto se coloca a mano sobre la banda, en una capa, ocupando la mayor superficie posible para que el intercambio térmico sea máximo. La velocidad de traslación de la banda marcará el tiempo de permanencia en el congelador para cada artículo. Al terminar su recorrido el producto congelado se separa de la banda por medio de un rascador y pasa al transportador que lo envía a la sección de envasado. También se fabrican congeladores de dos bandas, entre las que se congela el producto que en este caso puede tener un mayor grosor (hasta 40 mm) que cuando se utiliza una banda única (15 mm). Los congeladores de dos bandas también se pueden utilizar para dar forma al congelarlos a productos líquidos y semilíquidos. En este caso la banda superior es lisa, mientras que la inferior

Congelación

311

está ranurada. El producto es depositado sobre la banda ranurada por un dispositivo de rociado, a continuación la banda superior desciende hasta quedar en contacto con la inferior, quedando el líquido en las ranuras, de las que saldrá congelado y con la forma correspondiente, al final del proceso.

Salmuera Figura 4.–Esquema de un congelador de bandas.

5.1.3. Congeladores de tambor Pueden considerarse como congeladores de bandas continuos. En ellos el producto, líquido o pastoso, se deposita sobre la superficie de un tambor rotatorio llevado a la temperatura del tratamiento por medio de un fluido auxiliar (salmuera), ya que si se utilizara como evaporador exigiría espesores de pared elevados para soportar las presiones de trabajo (figura 5).

Figura 5.–Esquema de un congelador de tambor.

312 Procesos de conservación de alimentos La congelación se produce mientras el tambor recorre aproximadamente 270º. Al concluir la rotación el producto congelado es troceado y un raspador lo separa de la superficie del tambor, cayendo en un transportador que lo envía al envasado. 5.2. CONGELADORES POR AIRE El aire es el sistema más común de congelación, y por esa razón se encuentran en el mercado una gran cantidad de congeladores que emplean este medio. Sin embargo hay que dejar claro que una cámara de conservación de congelados no debe considerarse nunca un sistema de congelación. Las velocidades de congelación que se consiguen en cámara son muy pequeñas, por lo que la calidad de los productos obtenidos será siempre mediocre. El problema se agudiza si esta cámara se utiliza simultáneamente para almacenar congelados, ya que al introducir producto a congelar se puede producir una elevación de la temperatura del ya congelado, con la consiguiente reducción en su calidad. Además las baterías frías sufrirán un escarchado muy rápido que reducirá su potencia frigorífica, impidiendo que se desarrolle la potencia requerida para mantener la temperatura del recinto en su valor correcto, haciendo la situación más crítica todavía. La congelación por aire en buenas condiciones se realizará en equipos especialmente diseñados para este fin, como son los túneles de congelación, los congeladores de banda transportadora y los de lecho fluidizado. 5.2.1. Túneles de congelación Se denominan así los recintos calorifugados equipados de evaporadores y ventiladores, donde el aire frío circula a través de los productos situados sobre bandejas u otros dispositivos que están dispuestos de forma estacionaria o en movimiento. El producto estará colocado de forma que el aire pueda circular libremente por el túnel. El desplazamiento del producto puede hacerse manualmente, en los túneles estacionarios, o bien con ayuda de cualquier mecanismo de tracción en los túneles dinámicos: carros automatizados, cadenas de tracción, deslizamiento de bandejas, transportadores aéreos para canales, etc. La transferencia de calor depende de las dimensiones y de la forma del producto, especialmente de su espesor, de su conductividad térmica y del coeficiente de película que se consiga entre el producto y el aire. Este coeficiente aumenta con la velocidad del aire, por lo que incrementando ésta se mejora la eficiencia del congelador. Sin embargo, a partir de unos ciertos valores, el aumento de velocidad incrementa más la potencia consumida por los ventiladores y la pérdida de carga que el coeficiente de película, por lo que deja de ser rentable. El túnel es un equipo muy flexible, que se adapta a productos de todas las dimensiones y formas, empaquetados o no, aunque en el caso de utilizar vago-

Congelación

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netas con bandejas sea preferible congelar el alimento envasado, lo que evitará que se adhiera a las bandejas y dificulte su descarga. En la figura 6 se pueden ver los esquemas de dos túneles estáticos para pallets y canales. Evaporador

Evaporador

Figura 6.–Esquemas de túneles de congelación estáticos.

El sistema se puede automatizar cuando el producto se maneja en bastidores o carros con ruedas que circulan por railes mediante cualquier mecanismo de tracción. Los productos son colocados en bandejas que a su vez son colocadas en los carros. Dentro del túnel se encuentran una o varias filas de carros que van circulando por su interior a la velocidad necesaria para que se mantengan en él el tiempo de congelación. Cuando un carro termina el proceso y sale del congelador, se descarga la mercancía y se devuelve a la zona de carga. El tiempo de congelación en estos equipos varía considerablemente dependiendo del producto que se considere, desde pocas horas para vegetales troceados hasta más de 48 horas para canales de vacuno. Un paso más en el sentido de la mecanización, pero uno menos en el de la polivalencia, lo constituyen los túneles para productos en cajas, como el de la figura 7. Los productos envasados en cajas de cartón, como carne, aves, comidas preparadas o helados para su endurecimiento, llegan al congelador por el

314 Procesos de conservación de alimentos

Figura 7.–Congelador CartoFreeze (Frigoscandia).

transportador de entrada y son transferidos hidráulicamente a las bandejas interiores del equipo, sobre las que recorrerán todo el camino preestablecido hasta llagar a la altura del transportador de salida al que serán también transferidos de forma automática cuando haya concluido el proceso de congelación. 5.2.2. Congeladores de banda transportadora Son congeladores continuos en los que los alimentos se depositan sobre una banda transportadora, constituida por un enrejado metálico, que se encarga de mantener el producto dentro del recinto de congelación el tiempo necesario. En la mayoría de los congeladores de este tipo el aire es insuflado verticalmente, desde arriba o desde abajo, contra la banda y forzado a atravesarla. En estos congeladores será importante, cuando se congelan pequeños productos, extenderlos uniformemente sobre la banda para evitar que se produzcan pasos preferentes del aire. Es también importante conseguir un espesor determinado de producto sobre la banda, para que se cumplan las condiciones de congelación prescritas. Los congeladores se pueden construir de una banda rectilínea única, o de varias superpuestas y de banda arrollada en un tambor rotatorio (congelador en espiral). La longitud máxima para los congeladores de una banda rectilínea suele ser de 20 metros, la necesidad de más tiempo de residencia en el congelador obliga a montar bandas superpuestas o bien bandas en espiral. La limitación más importante que deben superar los equipos de congelación por aire es la reducida eficiencia de este medio como transmisor de calor, algunos fabricantes montan dispositivos de distribución del aire, como los que se muestran en el congelador de la figura 8, para mejorar la efectividad del proceso de congela-

Congelación

315

ción, reduciendo el tiempo de proceso y por lo tanto el tamaño de la máquina. En este congelador el aire se distribuye, perpendicular al producto por la parte superior e inferior de la banda, a gran velocidad desde un conjunto de pequeños orificios, de forma que se desplace la capa de aire estacionaria que tiende a posicionarse sobre todos los productos, mejorándose así el coeficiente de película y reduciéndose el tiempo de congelación. En la dicha figura puede verse también la posición de los ventiladores que impulsan el aire contra las dos bandas gemelas y los evaporadores que lo enfrían antes de que vuelva a llegar a los ventiladores.

Figura 8.–Congelador de banda transportadora JetFreezer (York International).

Cuando el tiempo de congelación se incrementa e incluso con los congeladores de bandas superpuestas se consiguen tiempos demasiado cortos, se recurre a los congeladores de banda en espiral. Los congeladores en espiral (figura 9), constan fundamentalmente de una banda de varilla de acero inoxidable, capaz de ser enrollada formando una espiral, sobre la que se transporta el producto. Se consigue así que una gran longitud de banda transportadora ocupe muy poco espacio en planta, aunque sea a costa de complicar el diseño mecánico. Los productos se colocan sobre la cinta fuera del congelador, y permanecerán en la misma posición hasta que vuelvan a salir de él ya congelados. En el mismo recinto donde se encuentra la espiral se dispone el evaporador frigorífico y los sistemas de impulsión del aire que se encargará de conseguir la congelación de los productos. Las diferencias más importantes entre los distintos diseños existentes en el mercado se centran en: el flujo de aire, el tipo de banda utilizada y la forma de

316 Procesos de conservación de alimentos

Figura 9.–Congelador de banda en espiral GyroCompact (Frigoscandia).

sujetarla y conducirla. El flujo de aire puede llegar al producto verticalmente: de arriba a bajo o de bajo a arriba, o bien horizontalmente. La banda puede ir soportada por railes y arrastrada por el giro de un tambor rotatorio o puede ir sin ninguna estructura de apoyo, descansando cada espira sobre las barandillas laterales de la espira inferior, girando toda la espiral formando una unidad. En el congelador de la figura, el producto se coloca sobre la banda en (1), y recorre de bajo hacia arriba la espiral (8), para salir congelado por (4). El aire es enfriado en el evaporador (7) e impulsado por los ventiladores (6) desde arriba contra la espiral que sube, por lo tanto en contracorriente. El control del proceso se realiza desde el panel (2) y se puede acceder al interior del recinto para su inspección por las puertas (3). Antes de que la banda vuelva a recibir producto sin congelar se lava y seca en (9). El congelador en espiral puede manejar una gran cantidad de productos, tanto con como sin envase: productos cárnicos (filetes, carne empanada, hamburguesas), productos de panadería y pastelería, platos preparados (pizzas, etc.). 5.2.3. Congeladores de lecho fluidizado Cuando se quieren congelar productos de pequeño tamaño de forma individualizada y sin envasar se puede recurrir al los sistemas de lecho fluidizado.

Congelación

317

La fluidización tienen lugar cuando el producto se somete a una corriente de aire ascendente. Para una velocidad de aire apropiada, que depende de las características del producto, éste flota en la corriente de aire y se comporta prácticamente como un fluido. Este método presenta algunas ventajas sobre la congelación sobre banda tradicional: • el producto se congela verdaderamente de forma individual, incluso cuando tiene tendencia natural a aglomerarse, como las judías verdes o la zanahoria en cubos. • las fluctuaciones de carga no tienen importancia, si se reduce la carga la distribución del aire no se ve afectada, por lo tanto no hay riesgos de cortocircuitos. En contrapartida a estas ventajas, este sistema tiene el inconveniente del gran consumo eléctrico que se produce en los ventiladores para conseguir la fluidificación.

Figura 10.–Congelador de lecho fluidizado FloFreeze MA (Frigoscandia).

El producto se introduce en el congelador por medio de una bandeja vibratoria. Dentro del aparato, el fondo perforado de la bandeja reparte uniformemente el aire en la masa de producto a congelar, lo fluidifica y lo transporta hasta la salida El aire que abandona el lecho de producto fluidizado es tomado por los ventiladores que lo envían a atravesar las espiras del evaporador antes de volver a llegar a la bandeja de producto.

318 Procesos de conservación de alimentos Junto con estos equipos se han desarrollado también otros congeladores de lecho fluidizado en los que la fluidización se produce sobre una o varias bandas transportadoras. Se consigue así una reducción en el caudal de aire necesario, ya que éste se tiene que encargar únicamente de la fluidización, ya que del transporte se encargará la banda. Además este sistema estará indicado para productos frágiles, húmedos o pegajosos, que podrán ser endurecidos en superficie en una primera banda, para poder sufrir a continuación una agitación más intensa en la segunda, sin riesgo de apelotonamiento o daño. Tanto la circulación del aire como la velocidad de la banda pueden regularse independientemente en cada sección, pudiéndose adaptar a las características de los productos a congelar. En la figura 11 se muestra un congelador de este tipo.

Figura 11.–Congelador de lecho fluidizado FloFreeze B (Frigoscandia).

5.3. CONGELADORES CRIOGÉNICOS Estos congeladores se diferencian de los que se han venido exponiendo hasta este momento en que no necesitan ser conectados a un sistema mecánico de producción de frío. El medio de transferencia de calor es generalmente nitrógeno líquido, almacenado en la proximidad del equipo.

Congelación

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Con este sistema se consiguen altas velocidades de congelación, costes de inversión inicial bajos (en comparación con los demás sistemas), instalación sencilla y rápida puesta en marcha. La alternativa criogénica ofrece ventajas máximas para las instalaciones de pequeña capacidad o para la producción inicial de nuevos productos, ya que sus altos costes de operación no permitirán su utilización para la mayoría de los productos. Se pueden encontrar congeladores por nitrógeno líquido que trabajen por inmersión o por pulverización del líquido criogénico. En la figura 12 puede verse el funcionamiento de un congelador por inmersión.

Figura 12.–Congelador Koach por inmersión en nitrógeno líquido (Unión Carbide).

El congelador está compuestos por un recipiente aislado en el que se mantiene un nivel determinado de nitrógeno líquido (3) alimentándolo desde el depósito (1), a través del controlador (2). El congelador dispone además de una banda de barras o de malla de acero inoxidable (4) que se encargará de conducir a los productos por el baño de nitrógeno líquido, desde la entrada a la salida. Los productos se depositan sobre el transportador y se mantienen dentro de baño de nitrógeno líquido a –196ºC entre 10 segundos y 4 minutos, de acuerdo con el producto a congelar y con la profundidad de capa congelada que se pretende. La superficie del producto se congela inmediatamente, lo que elimina

320 Procesos de conservación de alimentos toda posibilidad de deshidratación. El nitrógeno gas producido se evacua al exterior desde la superficie del baño. A la salida del congelador se suele conservar el producto en un ambiente frío para que se equilibre la temperatura superficial con la de su interior. En los congeladores que utilizan sistemas de pulverización (figura 13), el nitrógeno líquido llega al extremo de salida del túnel a través de una válvula (4), a unos colectores (7) que lo distribuyen a los difusores dispuestos sobre la cinta transportadora de producto (8). El nitrógeno se evapora de inmediato al ponerse en contacto con el producto, y los vapores (aún fríos) producidos se hacen circular por dentro del túnel, a contracorriente con el producto, con la ayuda de los ventiladores (3). La circulación en contracorriente de refrigerante y producto, que entra por (1) y sale por (6), asegura una gran eficiencia en la transferencia de calor.

Figura 13.–Congelador criogénico AgaFreeze (Frigoscandia).

El nitrógeno gas que ha cedido también una parte de su calor sensible se envía al exterior por la chimenea (2). La velocidad de la cinta y el resto de condiciones de proceso se controlan desde (9) y (5). La congelación criogénica es la más rápida, lo que puede suponer alguna ventaja, desde el punto de vista de la calidad, para determinados productos. Sin embargo con este sistema se pueden producir roturas en la superficie de algunos productos sensibles. Con estos equipos el consumo de nitrógeno líquido para conseguir una congelación completa del alimento oscila entre 1 y 1,5 kg por cada kg de producto congelado.

Bibliografía de la Parte Cuarta

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PARTE V

PROCESOS DE CONSERVACIÓN BASADOS EN LA REDUCCIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA

CAPÍTULO DECIMOSEGUNDO

Secado 1. INTRODUCCIÓN El secado de los alimentos es el método más antiguo de conservación de los productos perecederos. La utilización del sol para reducir el contenido de agua de un producto, es el procedimiento más ancestral y menos costoso de conservación. Diversos autores indican que en el paleolítico, hace 400.000 años, se secaban al sol alimentos, carnes y pescados especialmente. Hoy todavía se utiliza para el secado de frutas: higos (higos secos), uvas (pasas), melocotones (orejones), ciruelas (ciruelas pasas), etc., y para obtener la sal por evaporación del agua de mar, etc. En el siglo XVIII comienza el secado acelerado por el humo de combustión del carbón, pero este sistema implica una alteración del sabor. En el siglo XIX las ciencias intervienen en la deshidratación, pero es en el siglo XX cuando las técnicas industriales aportan el extraordinario resurgimiento de este sistema de conservación, que todavía continúa dando lugar al nacimiento de productos nuevos: en polvo, en copos, de utilización instantánea… La industria agroalimentaria utiliza la deshidratación como método de conservación de un gran número de productos, sin entrar en una relación exhaustiva debido a la evolución rápida y permanente de las posibles aplicaciones, se pueden citar: productos lácteos y derivados (leche en polvo instantánea, semiproductos en polvo para helados y postres...), productos derivados de los cereales (alimentos para bebes con carnes y frutas, harinas con frutas y miel, pastas...), productos obtenidos de café, té y cacao, productos vegetales (purés de patata, forrajes, frutas secas...), productos de origen animal (huevos, sopas y salsas deshidratadas...). La imagen de “natural” que da el secado hace que se utilice para fabricar productos de alto valor añadido, por ejemplo frutas y granos para cereales de desayuno y snacks. Con la deshidratación de un producto se consigue un incremento de las posibilidades de conservación y una gran reducción de peso, hasta su quinta

326 Procesos de conservación de alimentos parte cuando se trata de raíces o tubérculos y hasta quince veces menor en vegetales de hoja. Estos son los dos factores que aconsejan la utilización de este proceso, puesto que además de conseguir la conservación del alimento asegura una reducción substancial de los costos de almacenamiento y/o transporte. No obstante, el secado es una operación que afecta profundamente a las características del alimento tratado. El valor nutritivo de la mayoría de los alimentos deshidratados no se ve afectado de forma importante por el proceso, pero la mayor parte de ellos, una vez rehidratados, no presentan las características del producto fresco, ni en sabor ni en textura, y normalmente requieren también mayor tiempo para cocer. Por lo tanto, no siempre será aconsejable consumir los alimentos deshidratados reconstituidos, después de haberles incorporado el agua que han perdido en el proceso, sino que, algunas veces, el secado es capaz de transformar una materia prima para conseguir un producto con características y usos completamente distintos a los originales. Los alimentos que antes del secado no presentan una estructura definida (por ejemplo, zumos, leche, sopas, infusiones) se suelen consumir reconstituidos y en ellos se busca, después de la adición de agua, que el producto obtenido sea similar al original. Sin embargo la reconstitución de un alimento que antes del secado tiene una estructura definida es mucho más difícil, por lo que normalmente en estos casos, la deshidratación conduce a la obtención de un nuevo producto: las frutas desecadas se consumen sin intentar su reconstitución y no compiten con las frutas frescas.

2. FUNDAMENTOS DE LA ELIMINACIÓN DE AGUA La presencia de agua en los alimentos contribuye de forma importante a su deterioro, por lo tanto la disminución del contenido de agua en un alimento reduce la posibilidad de su alteración biológica y también, de forma apreciable, las velocidades de otros mecanismos de deterioro. En el Capítulo I se vio con más detalle este punto. Aunque el objetivo principal de los procesos de conservación basados en la reducción del contenido de agua sea la prolongación de la vida útil de los alimentos, la eliminación de agua permite, como ya se ha dicho, disminuir considerablemente el peso de los mismos, lo cual consigue ahorros importantes en el almacenamiento y en el transporte: diez toneladas de leche se convierten en una tonelada de leche en polvo y, por lo tanto, unas necesidades de transporte diez veces inferiores a las requeridas para una cantidad equivalente de leche líquida. Ahora bien, la eliminación de agua presenta dos problemas importantes: por una parte, el riesgo de alteración de la calidad nutricional y sobre todo organoléptica del producto tratado y por otra, un consumo notable de energía. La falta de selectividad de la eliminación de agua puede producir pérdidas de

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aromas, más volátiles que el agua, sobre todo si se realiza a vacío. En cuanto al consumo energético, unas técnicas de eliminación de agua son menos costosas que otras, pero son precisamente las menos costosas las que más alteran la calidad del producto. 2.1. ACTIVIDAD DE AGUA El agua contenida en un alimento, sea de origen animal o vegetal, está más o menos “disponible” para participar en las reacciones físicas, químicas y microbiológicas. Esta “disponibilidad” varía de un producto a otro según su composición, algunas estructuras o moléculas retienen más agua que otras; varía incluso para un mismo producto, un fruto maduro no se comporta de la misma forma que un fruto verde. La mejor forma de expresar esta “disponibilidad”, es decir el “grado de libertad” del agua de un producto, es la relación entre la presión parcial de agua en el alimento (p) y la presión de vapor del agua pura (p0) a la misma temperatura. La relación aw =

p % HRE = p0 100

define la actividad de agua en el producto y su relación con la humedad relativa de equilibrio (% HRE) del medio. El concepto fue introducido en 1957 por el microbiólogo Scott y hoy en día se considera, junto con la temperatura, uno de los parámetros más importantes que influyen en las reacciones de deterioro de los alimentos. El efecto de la actividad de agua se ha estudiado no sólo para definir la estabilidad microbiológica del producto sino también por su influencia en las reacciones bioquímicas que se producen en el sistema y su relación con la estabilidad del alimento. La actividad de agua se define con relación a un estado de referencia que es el del agua pura, para el cual dicha actividad es igual a 1. Si el agua se encuentra en estado libre, p = p0. Si por el contrario, el agua está ligada al sustrato seco por fuerzas de unión físico-químicas, se tendrá que p < p0. Su valor está pues comprendido entre 0 y 1 (0 ≤ aw ≤ 1), y es tanto más bajo cuando mayores son las fuerzas de unión y, por el contrario, tiende a 1 cuando el agua se aproxima al estado libre y se evapora como el agua pura al aire libre. Por analogía se dice que este producto contiene agua libre. La actividad de agua de un producto es siempre inferior a 1, esto significa que los constituyentes del producto fijan parcialmente el agua disminuyendo así su capacidad de vaporizarse. Se habla entonces de agua ligada, más o menos fijada al producto por adsorción. Un producto alimentario contiene en general simultáneamente varias formas de agua: agua libre, agua débilmente

328 Procesos de conservación de alimentos ligada y agua fuertemente ligada, estas últimas están retenidas a las moléculas de materia seca por fuerzas relativamente importantes. La proporción de agua más o menos adsorbida depende de cada producto. En los productos más hidratados tales como la mayoría de frutas y hortalizas, una parte importante del agua está bajo forma de agua libre y de agua débilmente adsorbida, retenida por capilaridad en los tejidos del producto. En los productos más secos, como la mayoría de los cereales, según su textura y su composición química, una parte importante del agua estará fuertemente adsorbida por el producto. Durante un proceso de deshidratación, se eliminan primero las moléculas de agua menos ligadas, la fracción que se extrae en último lugar corresponde a las moléculas de agua de estructura, fuertemente ligadas por uniones electrostáticas a macromoléculas orgánicas del extracto seco. El agua libre se comporta como el agua pura, requiere por lo tanto para evaporarse relativamente poca energía (del orden de 2.400 kJ.kg–1 de agua libre), por el contrario la evaporación del agua ligada es más difícil y requiere más energía. Por lo tanto, la cantidad de energía necesaria para evaporar la misma cantidad de agua aumenta durante el secado, el último gramo de agua evaporada necesita más energía que el primero. A temperatura constante y bajo condiciones de equilibrio, existe una única relación entre el contenido de humedad y la actividad de agua (o la humedad relativa de equilibrio) de un alimento, dependiendo de que el equilibrio se alcance por adsorción o por desorción. Esta relación se conoce como isoterma de equilibrio (gráfica 1). La actividad de agua, aw, disminuye al mismo tiempo que lo hace el contenido de agua (W), la curva W = f(aw ) es generalmente sigmoidal, como resultado de varios mecanismos básicos de interacción del agua ligada. Hay que destacar que el término “actividad de agua”, tal como se ha definido, sólo es válido en equilibrio. Sin embargo, en muchos procesos o durante el almacenamiento de los alimentos, el equilibrio no se alcanza, y el concepto de actividad de agua debe usarse con cautela. Para comprender los diferentes tipos de interacciones entre las moléculas individuales de agua o entre todo el agua en un alimento real, es usual primero analizar los mecanismos teóricos que deprimen la presión de vapor del agua. Tradicionalmente, la curva que relaciona la humedad de un producto con su actividad de agua, a temperatura constante (gráfica 1), se divide, de forma más o menos arbitraria, en tres partes, dependiendo de que el efecto que prevalezca en la aw se deba a la sorción pura, condensación capilar o efecto de soluto. • Intervalo: 0 < aw < 0,2 En esta primera parte, el producto contiene muy poca agua, actúan fuerzas de Van der Waals muy intensas y las moléculas de agua presentes están muy ligadas a los puntos activos, como los grupos polares de las moléculas o como los puentes de hidrógeno. El contenido en humedad representa teóricamente la adsorción de la primera capa de moléculas de agua (punto A en la isoterma) se llama valor monocapa y está general-

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Gráfica 1.–Isoterma de equilibrio.

mente alrededor de una aw de 0,2-0,4 y por debajo de un contenido de humedad de 0,1 g de agua/g de sólido. Las moléculas orgánicas, particularmente las macromoléculas polares como por ejemplo las proteínas, están más o menos saturadas por una capa monomolecular de agua estrechamente ligada, por lo tanto las moléculas están orientadas. El agua se encuentra entonces en estado rígido. • Intervalo: 0,2 < aw < 0,6 corresponde a la parte central de la curva. En esta zona intermedia, el agua se encuentra bajo forma de capas polimoleculares que recubren parcialmente la superficie del sustrato seco, las moléculas de agua están ligadas más débilmente que las de la capa anterior. La entalpía de vaporización es ligeramente superior a la del agua pura. Este agua está disponible como disolvente para solutos de bajo peso molecular y para algunas reacciones bioquímicas. Este tipo de agua de constitución puede entenderse como un estado de transición continuo entre el agua ligada y el agua libre. • Intervalo: aw > 0,6 A esta tercera parte, corresponde la fracción de “agua libre” que se encuentra en estado líquido y que es retenida en la superficie del sustrato seco sólo por fuerzas de capilaridad. Es ésta la única fracción de agua verdaderamente disponible para las reacciones químicas, enzimáticas, etc. En estas condiciones el crecimiento microbiano es la causa más importante de deterioro de los alimentos, por esta razón a veces se le llama “agua biológica”. Con contenidos de agua altos, la mayor parte de los componentes solubles del sistema están en solución. El estado de equilibrio isotermo depende de la forma en que se ha alcanzado: el proceso de incremento de humedad del alimento (“ganancia de agua”)

330 Procesos de conservación de alimentos se denomina adsorción, y el de reducción de esta humedad (pérdida de agua) se denomina desorción. Generalmente la isoterma de adsorción presenta un menor contenido de humedad para una determinada actividad de agua que la isoterma de desorción. Para un producto dado a una determinada temperatura la isoterma de desorción no es superponible a la de adsorción (gráfica 2). Este fenómeno se denomina histéresis y es especialmente acusado en la zona intermedia de equilibrio.

Gráfica 2.–Fenómeno de histéresis.

El fenómeno de histéresis puede tener consecuencias importantes; cuando se rehidrata un alimento es posible obtener un producto cuya aw sea sensiblemente superior a la esperada si sólo se conoce su isoterma de desorción, lo cual puede plantear riesgos de deterioro. Por otra parte, hay que señalar la influencia de la temperatura sobre las isotermas de equilibrio. Normalmente, para un determinado valor de la humedad, una variación de la temperatura provoca un cambio proporcional en al aw. Para un mismo sólido higroscópico, y a humedad constante, la actividad de agua varía con la temperatura, disminuyendo cuando ésta disminuye y aumentando con el incremento de la temperatura (gráfica 3). Las variaciones de la aw con la temperatura son más importantes para los valores intermedios de aw. Por último, hay que recordar que existe una relación entre la actividad de agua y la velocidad de alteración de los alimentos, con valores de aw de 0,80,85, se produce la alteración de prácticamente todos los alimentos en una o dos semanas, con valores de 0,75 se produce ya un retraso del deterioro, que es muy notable para valores aw de 0,7 a los que es posible realizar almacenamientos prolongados. Cuando la actividad de agua alcanza valores de 0,62 prácticamente desaparece la actividad microbiológica.

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Gráfica 3.–Influencia de la temperatura en las isotermas de equilibrio.

2.2. MECANISMOS DE LA ELIMINACIÓN DE AGUA La eliminación de agua de un producto se puede conseguir por vía mecánica o por vía térmica. 2.2.1. Eliminación de agua por vía mecánica Algunos procesos de preconcentración y de presecado pueden llevarse a cabo por simple transferencia de cantidad de movimiento. Como operaciones previas a la concentración se pueden citar la centrifugación, filtración y ultrafiltración, y entre las previas al secado, el escurrido y prensado. La eliminación de agua por vía mecánica solo permite la separación de una parte del agua libre de los productos tratados. Ningún procedimiento mecánico permite reducir la humedad de un producto más del 60%. Precisamente el hecho de que solo se elimine una fracción del agua no ligada, implica un menor consumo de energía en los procesos de eliminación del agua por vía mecánica. Así mismo, con los procedimientos mecánicos no se elimina agua pura, sino que se trata de una dispersión o de una solución más o menos rica en extracto seco. 2.2.2. Eliminación de agua por vía térmica En este caso se trata esencialmente de una operación de transferencia de masa, que requiere una “activación” previa del agua por una cierta cantidad de energía aportada por una transferencia de calor.

332 Procesos de conservación de alimentos Entre las técnicas de eliminación de agua por vía térmica se deben distinguir los procedimientos por ebullición de los procedimientos por arrastre. En el caso de la eliminación de agua por ebullición, se lleva el producto a una temperatura suficiente para que la presión de vapor del agua del producto sea igual a la presión ambiente. Si se trata de presión atmosférica esta temperatura es ≥ 100ºC, que no es deseable para algunos productos. Si se trabaja a vacío esta temperatura es más baja, en este caso hay otros inconvenientes principalmente de tipo económico. El calor se aporta al producto por conducción a través de una superficie caliente, por convección a partir de vapor agua recalentado o por la utilización de radiaciones. El agua evaporada del producto rodea la superficie del mismo en forma de una atmósfera de vapor de agua pura. En la eliminación de agua por arrastre, la energía es aportada generalmente por aire caliente, cuya presión parcial de agua es inferior a la presión de vapor del agua en el producto. Los procedimientos que se basan en la eliminación de agua por ebullición son energéticamente menos costosos que los de arrastre, pero en contrapartida, estos últimos son los únicos que permiten una eliminación completa de agua sin alterar excesivamente la calidad del producto tratado, con una excepción: la liofilización, cuyo principio se asimila a un proceso por ebullición, que es la más costosa en energía y la que mejor preserva la integridad del producto.

3. PROCESO BÁSICO DE SECADO El secado es un procedimiento de conservación que al eliminar la totalidad del agua libre de un alimento, impide toda actividad microbiana y reduce la actividad enzimática. Existen diferentes denominaciones de este sistema de conservación: desecación, secado y deshidratación, que pueden considerarse sinónimos aunque algunos autores establecen diferencias, únicamente cuantitativas, entre ellos: • Desecación: es la eliminación de agua hasta una humedad final que esté en equilibrio con la del aire de secado. Esta humedad final oscila entre 0,12 y 0,14 kg de agua por kg de producto húmedo. El valor de aw alcanzado debe ser suficientemente bajo para inhibir el crecimiento microbiano así como para limitar las reacciones enzimáticas. • Deshidratación: es la eliminación del agua de un producto hasta un nivel próximo al 0% de humedad. El agua se elimina de los alimentos por medio de su difusión, en fase líquida y/o vapor, a través de su estructura interior. Al movimiento del agua líquida le seguirá su evaporación en algún punto del alimento, para lo cual es necesario calor, por lo tanto el proceso supone realmente un transporte simultáneo de materia y calor.

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La transmisión de calor tiene lugar en el interior del alimento y está relacionada con el gradiente de temperatura existente entre su superficie y la correspondiente a la superficie del agua en el interior del alimento. Si se suministra al agua suficiente energía para su evaporación, el vapor producido se transportará desde la superficie de la capa húmeda en el interior del producto hacia la superficie de éste. El gradiente de presión existente entre la superficie del agua en el interior y en el aire exterior al alimento, es el que provoca la difusión del vapor de agua hacia la superficie de éste. Por lo tanto, durante el secado se producen cuatro procesos de transporte (figura 1): 1. Transmisión de calor desde el gas hasta la superficie del producto. Puede realizarse por conducción, convección o radiación. 2. Transmisión de calor desde la interfase sólido-gas hasta el interior del sólido. Sólo puede tener lugar por conducción, en régimen no estacionario (las condiciones en cualquier punto varían con el tiempo). 3. Transmisión de materia a través del sólido. Se puede producir por difusión o por capilaridad. Difusión debida a las diferencias de concentración y capilaridad, aprovechando los capilares existentes. La difusión tiene lugar en el secado de productos con humedades del orden de 25% (base húmeda) o inferiores, mientras que la capilaridad se presenta para niveles altos de humedad (65% o más), siempre y cuando en la estructura interna del producto existan capilares 4. Transferencia de vapor desde la interfase sólido-gas hacia el seno del gas. Los equipos de deshidratación utilizarán por tanto para la transferencia de energía, procesos basados en la convección, conducción o radiación desde la fuente de calor hasta el alimento. Los sistemas más usuales emplean la convección como mecanismo de transferencia de calor y aire como vehículo de esta energía, por lo tanto la transferencia de calor dependerá, en este caso, de la Transferencia de calor

Transferencia de materia

1 4 2

3 Sólido + humedad

Figura 1.–Proceso básico de secado.

334 Procesos de conservación de alimentos temperatura del aire, de su humedad, de su caudal, de la superficie expuesta del alimento y de la presión. Es necesario tener en cuenta los cuatro procesos de transporte citados, puesto que la velocidad de secado será proporcional al más lento de ellos. En la mayoría de los casos los procesos limitantes serán los de transporte de materia y calor en el interior del alimento.

4. PERIODOS DE SECADO

Humedad (kg de agua/kg de m.s.)

El proceso de secado está normalmente dividido en tres fases: una fase inicial de precalentamiento, seguido de otra de velocidad de secado constante y una o más fases de velocidad de secado decreciente. En la gráfica 4 se muestra la curva de secado obtenida cuando se representa el contenido de humedad contra el tiempo de secado.

Gráfica 4.–Periodos del secado.

En el secado por convección, por lo tanto, se pueden distinguir las siguientes etapas clásicas, diferenciadas entre sí por la velocidad de secado: • Un periodo de precalentamiento, que transcurre mientras el producto y el agua en él contenida se calientan ligeramente, hasta alcanzar la temperatura de bulbo húmedo característica de ambiente secante. El producto a secar al principio está frío, su presión de vapor es igualmente baja, por lo

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Humedad (kg de agua/kg de m.s.)

tanto la velocidad de transferencia de masa es muy lenta. Por el contrario, el gradiente de temperatura entre el aire caliente y la superficie fría del producto es elevada, en consecuencia la transferencia de calor es alta. La cantidad de calor transferida a la superficie del producto es netamente superior a la cantidad de calor arrastrada por la poca agua evaporada, existe un desequilibrio. El excedente de calor se utiliza entonces en calentar la superficie del producto, lo cual produce una disminución del gradiente de temperatura, que cesará cuando se alcance el equilibrio estacionario. Este periodo es muy corto en comparación con el tiempo total de secado. • Un periodo de velocidad constante, durante el cual se produce una reducción importante del contenido de agua, el agua de imbibición se elimina con un flujo másico constante. La evaporación se efectúa en la superficie del producto, a temperatura constante, siendo ésta la de bulbo húmedo del aire. Durante este periodo, el flujo de calor intercambiado entre el aire y el producto se utiliza enteramente para la evaporación del agua. Este periodo continúa mientras que la superficie del producto esté alimentada por agua libre líquida desde el interior, fundamentalmente por capilaridad. En la mayoría de los casos esta etapa de velocidad de secado constante finalizará cuando el contenido medio de humedad del producto alcance el valor de la humedad crítica. Por lo tanto, en la curva de secado este periodo se deberá ajustar a una recta (la humedad crítica coincide con el punto en que la recta ajustada se separa de la curva de secado) (gráfica 5).

Gráfica 5.–Periodo de velocidad de secado constante.

336 Procesos de conservación de alimentos

Humedad (kg de agua/kg mat. seca)

• La humedad crítica no es una propiedad del alimento, sino que depende del tamaño de partícula y de las condiciones del aire de secado. En el periodo de velocidad constante, el principal mecanismo de transporte de masa es el flujo capilar de agua líquida, aunque puede existir alguna difusión de líquido. El mecanismo interno de flujo de la humedad no afecta a la velocidad de secado en este periodo, es el entorno secante, el aire, el que impone la velocidad de secado, que se incrementa al hacerlo la temperatura (gráfica 6). Lo mismo ocurre con la velocidad del aire de secado, cuando mayor es ésta mayor es la velocidad del secado (gráfica 7)

Gráfica 6.–Influencia de la temperatura del aire de secado.

• El diámetro de los poros y de los capilares disminuye y la pérdida de peso es aproximadamente igual al volumen de agua evaporada. El flujo de agua líquida arrastra solutos que se depositan en la superficie, si no son volátiles, produciendo el fenómeno llamado “case hardening” que afecta a la eliminación de agua en los periodos posteriores. Cuando la superficie externa del producto deja de estar saturada, comienzan uno o varios periodos de velocidad de secado decreciente y la temperatura se incrementa continuamente desde la de bulbo húmedo hasta la del fluido calefactor. • Un periodo de velocidad decreciente, que comienza cuando la superficie del producto en contacto con el aire de secado alcanza el umbral de higroscopicidad (para los materiales higroscópicos). Desde el punto de vista macroscópico, esto corresponde a alcanzar la humedad crítica. La zona de

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Humedad (kg de agua/kg mat. seca)

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Gráfica 7.–Influencia de la velocidad del aire de secado.

evaporación “frente de secado” que se encontraba en la superficie, se desplaza hacia el interior del producto. La brusca reducción de la superficie efectiva de transferencia, debida a una alimentación insuficiente de agua libre, es la causa de la disminución de la velocidad de secado. La migración del agua es cada vez más difícil y como consecuencia la transferencia de masa se convierte en el factor limitante. Los depósitos de solutos obstruyen los poros, el agua ligada migra bajo forma de vapor y la distancia a recorrer por el frente de vapor es cada vez mayor, todos estos factores frenan rápidamente la transferencia interna de agua. En el primer periodo de velocidad decreciente, el mecanismo de transporte de masa que predomina es la difusión de vapor, desde la zona de evaporación hasta la superficie del producto. • Un segundo periodo de velocidad decreciente, o periodo de velocidad final. Este periodo sólo existe para los materiales higroscópicos. El flujo másico se reduce más rápidamente que en el periodo anterior. En este periodo, el conjunto del producto está en el dominio de la higroscopía. En el alimento no queda más que agua ligada que se evacua muy lentamente (difusión-sorción). Esta fase se termina cuando el producto alcanza su humedad de equilibrio, que depende como es lógico, de las condiciones de secado. Los periodos de velocidad decreciente se aprecian claramente si se representa la velocidad de secado (dx/dt: variación de la humedad con respecto del

338 Procesos de conservación de alimentos tiempo) contra la humedad por encima del equilibrio (gráfica 8). En dicha gráfica puede verse el tramo horizontal correspondiente a la velocidad constante y los tramos de velocidad decreciente. La humedad crítica coincide con el punto de intersección de la recta de velocidad constante con la del primer tramo de velocidad decreciente.

5. PREPARACIÓN DE LOS PRODUCTOS PARA EL SECADO

dx/dt (kg de agua/kg de m.s. x min)

La efectividad de los tratamientos de conservación de los alimentos depende de su carga microbiana, cuando más elevada sea más difícil es que sean efectivos, es necesario por tanto en todo momento evitar el incremento de la contaminación antes de la conservación. Es necesario por tanto realizar en primer lugar un lavado de los productos a secar, con el fin de garantizar una higiene constante para evitar todo desarrollo de microorganismos, se recomienda el lavado y remojo con agua clorada seguido de un enjuagado con agua limpia. En cuanto a la preparación de los productos hay que encontrar un compromiso entre la presentación final y la facilidad de secado. Como regla general, interesa aumentar la superficie de intercambio aire/producto (trozos pequeños, colocados en el secadero sin que se toquen en capas delgadas), esto presenta

Gráfica 8.–Periodos de velocidad decreciente.

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varias ventajas, permite disminuir la duración de la primera fase, cuando más pequeños sean los trozos y estén en capa delgada, antes alcanzará el producto la temperatura a partir de la cual el secado es efectivo; en la segunda fase, la evaporación tiene lugar en la superficie del producto y es tanto más rápida cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el aire y el producto y más fácilmente puede acceder el aire a toda esta superficie, por otra parte el riesgo de “case hardening” es menor cuando más pequeños sean los trozos; por último, en la tercera fase, la eliminación de agua del producto será tanto más fácil cuando menor sea el tamaño de los trozos. Sin embargo, a veces es difícil tomar estas medidas, como por ejemplo en el caso del secado de cereales, que se tratan en capa gruesa y tienen un comportamiento complejo. En algunos casos se da un pretratamiento a los productos a secar, que presenta un interés notable, puesto que permite modificar la estructura del producto con el fin de facilitar el secado, evitar la contaminación microbiana antes y durante la primera fase de secado (actividad de agua alta) y limitar las reacciones bioquímicas posteriores. Los pretratamientos más empleados normalmente son: • Escaldado, sobre todo en vegetales y carnes, que permite ablandar los productos, fijar los colores, eliminar los gases intercelulares responsables de reacciones de oxidación y destruir las enzimas que pueden provocar alteraciones. • Sulfitado, utilizado en frutas y hortalizas. Se utiliza sobre todo para favorecer la conservación del color del producto, limitando el pardeamiento. Tiene también acción antimicrobiana. • Salazón, para carnes y pescados, impide, por disminución de la actividad del agua del producto, la proliferación microbiana. • Ahumado, también para carnes y pescados, permite un secado y una acción específica del humo, por la producción de compuestos antisépticos, aromas y colores particulares.

6. ENVASADO Y ALMACENAMIENTO DEL PRODUCTO DESHIDRATADO Una vez deshidratado el alimento, su buena conservación pasa por un almacenamiento al abrigo de la humedad, del oxígeno del aire y de la luz, que afecta a los pigmentos y cataliza las oxidaciones (véase Capítulo I). Por lo tanto el material de envasado deberá elegirse teniendo en cuenta estos dos aspectos. El envasado a vacío es un buen sistema para evitar los problemas que ocasiona el oxígeno, si se utilizan envases rígidos, de los que es difícil extraer todo el oxígeno por vacío, se deberá efectuar un barrido del oxígeno presente con la ayuda de un gas inerte.

340 Procesos de conservación de alimentos La elección del material utilizado para el envasado en la práctica depende de: • la naturaleza del alimento, • de las condiciones de envasado y almacenamiento (temperatura, humedad...), • propiedades protectoras del material, • su facilidad de empleo, • de su disponibilidad en el mercado y de su coste.

7. MODIFICACIONES PRODUCIDAS EN EL PRODUCTO CON LA DESHIDRATACIÓN Y ALMACENAMIENTO El secado aumenta la duración de la conservación del producto pero modifica su calidad: aspecto, textura, gusto y composición nutricional. Las degradaciones del producto están ligadas principalmente a la duración y temperatura de secado. Para cada producto se puede definir una temperatura máxima admisible que se recomienda no sobrepasar. Muchas reacciones físico-químicas son activadas por la temperatura y en consecuencia el secado provoca una aceleración de estas reacciones. Estas transformaciones son inevitables, pero según la composición del alimento y los parámetros de secado se favorecerán unas reacciones y se limitarán otras. Es importante, por tanto, conocer qué reacciones van a constituir el factor predominante de la alteración, con el fin de ajustar mejor las condiciones del tratamiento de conservación. Las principales alteraciones observadas en los productos deshidratados pueden ser químicas o físicas y están gobernadas por la isoterma de sorción, como puede apreciarse en la gráfica 9. La transición vítrea es también función de las propiedades físicas del producto. Durante el secado de los alimentos pueden ocurrir transiciones vítreas, que pueden afectar profundamente a la calidad del producto, tanto a sus características físicas como químicas. La temperatura de transición vítrea, a la cual el material cambia de un estado “vítreo” a un estado “gomoso”, es función del contenido de humedad así como de la concentración de solutos, tales como, azúcar por ejemplo (véase Capítulo XI). Las transiciones vítreas pueden causar cambios en la difusividad de los componentes, produciéndose como resultado pérdidas de aromas. También influyen en la difusión de productos reaccionantes que afectan al pardeamiento no enzimático y a la hidrólisis, por ejemplo, o a la movilidad de las cadenas de polímeros, tales como el almidón y las proteínas, que pueden causar reblandecimiento de la textura. El agua puede actuar en la reacción como solvente, reaccionando (hidrólisis enzimática), producto de reacción (reacción de Maillard) e inhibidor (oxidación).

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Gráfica 9.–Degradación en función de la actividad de agua (Labuza, 1971).

7.1. ALTERACIONES DE NATURALEZA QUÍMICA Las principales alteraciones de naturaleza química que pueden producirse son, como se aprecia en la gráfica anterior, debidas al enranciamiento, reacción de Maillard y a la actividad enzimática. 7.1.1. Reacciones de oxidación de los lípidos La oxidación de los lípidos es responsable de la rancidez, del desarrollo de malos sabores y de la pérdida de vitaminas liposolubles y pigmentos de muchos alimentos, especialmente en los alimentos deshidratados (véase Capítulo I). Entre los productos para los cuales este tipo de reacciones pueden ser un factor limitante se pueden citar: • productos con elevado contenido en lípidos y sobre todo en lípidos insaturados (carne de cerdo, de aves, pescados (particularmente los pescados grasos), patatas, etc.) • productos que presentan una gran superficie de intercambio con relación a su volumen, y que su contenido en lípidos sea suficientemente elevado: productos porosos, harina de pescado,... En estos casos, cuando el agua se evapora, facilita el contacto y la difusión del oxigeno en el alimento y por lo tanto el enranciamiento. Los factores que influyen en la velocidad de oxidación son además del contenido de humedad, el tipo de sustrato (ácido graso), contenido en oxígeno, temperatura, presencia de metales, presencia de antioxidantes naturales, actividad enzimática, luz ultravioleta, contenido en proteínas y aminoácidos libres, y otras reacciones químicas.

342 Procesos de conservación de alimentos Desde el punto de vista de la conducción de la deshidratación, se limitará la aparición de estas reacciones de oxidación con un secado: • a alta temperatura (la formación de corteza y el pardeamiento no enzimático son los factores limitantes), • conducido al abrigo de la luz (el secado solar directo debe evitarse en los productos en que se dan este tipo de reacciones), • conducido a actividades de agua del producto entre 0,2 y 0,5. La eliminación del oxígeno del alimento puede reducir la oxidación, aunque las cantidades necesarias para que se produzca esta oxidación son muy bajas. El efecto del oxígeno en la oxidación de los lípidos está íntimamente relacionado con la porosidad del producto, los productos liofilizados son más susceptibles de oxidación porque son más porosos. Para prevenir la oxidación de los lípidos es importante reducir el nivel de oxígeno durante el procesado y almacenamiento. Es interesante la aplicación de algún pretratamiento con antioxidantes o secuestrantes. 7.1.2. Pardeamiento enzimático La actividad enzimática puede proceder de enzimas endógenas presentes de forma natural en la materia prima o de enzimas termorresistentes procedentes de microorganismos. Si estas enzimas no son inactivadas por el calor pueden producir reacciones enzimáticas en alimentos con bajo contenido de agua. La actividad enzimática puede predecirse a partir de la isoterma de sorción. Es necesaria una cantidad mínima de agua para la actividad enzimática, que aumenta con el incremento de agua. Existe una correlación entre las reacciones enzimáticas y la actividad de agua. Aparentemente es necesaria la presencia de agua líquida para el transporte del sustrato hacia la enzima, es fácil comprender, por tanto, que la velocidad de las reacciones enzimáticas está limitada por la actividad de agua. El secado llevado hasta actividades de agua inferiores a 0,4 limita la actividad enzimática. Sin embargo, este pardeamiento puede intervenir muy rápidamente (en algunas decenas de minutos para algunos productos). Por esta razón es conveniente aplicar un pretratamiento que permita detener estas reacciones desde el comienzo del proceso de conservación. En la deshidratación de frutas y hortalizas, el escaldado destruye las enzimas causantes y en consecuencia previene el pardeamiento enzimático. El anhídrido sulfuroso y los sulfitos actúan como inhibidores de la acción enzimática durante las fases previas al escaldado. La presencia de SO2 retarda el pardeamiento de las frutas y hortalizas deshidratadas, especialmente cuando las enzimas no son inactivadas por el calor (por ejemplo, deshidratación por congelación). Los productos más afectados por este tipo de reacciones son esencialmente frutas (plátanos, albaricoques, manzanas...) y algunas hortalizas (patatas...), también harinas, especias y productos lácteos.

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Tabla 1. aw mínima para la acción enzimática en medio deshidratado (Drapon, 1985) Producto

Enzima

T (ºC)

aw mínima

Granos Germen de trigo Harina de arroz Macarrones Harina de trigo Pan Caseína Almidón Galactosa Sacarosa Aceite de oliva Lecitina Glucosa Ácido linoleico

Fitasas Glicósido-hidrolasas Amilasas Fosfolipasas Proteasas Amilasas Tripsina Amilasas Galactosidasa Invertasa Lipasa Fosfolipasas Glucosa oxidasa Lipoxigenasa

23 20 30 25-30 35 30 30 37 30 30 5-40 30 30 25

0,90 0,20 0,75 0,45 0,96 0,36 0,50 0,40/0,75 0,40/0,60 0,57 0,025 0,45 0,40 0,50/0,70

7.1.3. Reacciones de Maillard Los productos más afectados por las reacciones de Maillard, pardeamiento no enzimático, son las frutas y los productos cárnicos, también pueden darse en algunos productos lácteos. Este tipo de reacciones está favorecido cuando más ácido es el producto, rico en ácido ascórbico (vitamina C), en glúcidos y en proteínas (véase Capítulo I). Las reacciones de Maillard se reducen en la medida que el secado permita bajar rápidamente la actividad de agua, por debajo de 0,5 en la medida de lo posible, y que la temperatura del producto permanezca a niveles inferiores a la “temperatura crítica” de 50-55ºC, aunque este nivel es función del producto. Un secado a baja temperatura no limita necesariamente el pardeamiento no enzimático pues el tiempo de secado es, en general, mayor. El producto permanece, por tanto, más tiempo a niveles de humedad que favorecen a la vez las reacciones de Maillard y el desarrollo microbiano. Además, la oxidación de los lípidos, debida al secado a baja temperatura, puede ser un factor limitante. Es preferible pues un secado rápido a alta temperatura, siempre que la temperatura permanezca por debajo de la temperatura “crítica”. El pardeamiento no enzimático puede aparecer también durante el almacenamiento, por esta razón, puede ser interesante, particularmente en frutas, el empleo de anhídrido sulfuroso, antes o después del secado, para ralentizar estas reacciones. 7.1.4. Otras alteraciones de los constituyentes de los productos Las reacciones citadas anteriormente, de naturaleza química, producen también alteraciones de otros constituyentes del alimento.

344 Procesos de conservación de alimentos En los alimentos desecados hay pérdida de vitaminas, su grado de destrucción dependerá del cuidado con que se haya llevado la preparación del producto para su deshidratación, del proceso de secado seleccionado, del cuidado en su ejecución y de las condiciones de almacenamiento del producto desecado. Las pérdidas de vitaminas son mayores cuando el secado se hace sin inactivación de enzimas. Las pérdidas de tiamina se producen durante el procesado, siendo mayores cuanto más alta es la temperatura de secado, también se producen pequeñas pérdidas de riboflavina y niacina. La vitamina C desaparece en su mayor parte, ya que el ácido ascórbico es sensible a las temperaturas altas en condiciones de humedad alta. La velocidad máxima de degradación del ácido ascórbico se encuentra cerca de la humedad crítica. Para optimizar la retención de ácido ascórbico se recomienda secar el producto a temperatura inicial baja, cuando el ácido ascórbico es más sensible a la temperatura, después la temperatura puede elevarse, cuando ha progresado el secado y el ácido ascórbico es más estable porque se ha reducido la humedad. El proceso de deshidratación puede afectar también a las proteínas, produciéndose una desnaturalización de las mismas, especialmente las de las membranas, lo cual reduce su rehidratabilidad, además su valor biológico puede reducirse según sea el método de secado elegido. La exposición prolongada a altas temperaturas puede hacer las proteínas menos útiles en la dieta. Los carbohidratos son el sustrato principal del pardeamiento enzimático y del no enzimático. El color de los alimentos varía también con el secado. El color depende de las circunstancias bajo las cuales es visto el alimento y de la capacidad de su superficie para reflejar, dispersar, absorber o transmitir la luz visible. Dado que el secado cambia las propiedades físicas y químicas del alimento, es de esperar que modifique su capacidad para dispersar, absorber y transmitir la luz, y por lo tanto, se modifique su color. Por otra parte, el secado altera los colorantes naturales de los alimentos. Los carotenoides son pigmentos liposolubles presentes en las hojas verdes y en los vegetales rojos y amarillos. Su estructura química insaturada los hace susceptibles de los mismos tipos de degradación que los lípidos: oxidación. Estas alteraciones de los carotenoides son mayores cuanto más alta es la temperatura y más largo el tratamiento de secado. Los antocianos también se alteran en este proceso. La clorofila, en condiciones de calor húmedo, se transforma en feofitina, por pérdida de una parte de su magnesio. 7.2. ALTERACIONES DE NATURALEZA FÍSICA 7.2.1. Cambios de estructura El tejido celular, animal o vegetal, en estado vivo presenta una turgescencia típica. Las paredes celulares están bajo tensión y el contenido celular bajo

Secado

345

compresión. La pared celular posee una resistencia y elasticidad, que la hace capaz de admitir determinados esfuerzos y volver después a su estado original. Pero superado un cierto límite, la modificación de la estructura se hace irreversible. Al cesar la fuerza causante de la deformación, la célula no regresa a su estado original libre de tensiones. Este tipo de deformación plástica se produce, en mayor o menor medida, cuando se desecan tejidos vegetales o animales, con la excepción del secado por liofilización, en que las dimensiones originales de los tejidos congelados rápidamente se conservan inalteradas después del secado. En la figura 2 se pueden apreciar los cambios que se producen durante el secado de las piezas vegetales. Se toma una pieza en forma de cubo, que está en condición de turgencia aún después del escaldado. El contenido celular está sometido a presión y la membrana celular está bajo tensión. Si se expone este cubo a una corriente de aire caliente, el primer efecto es la evaporación de agua desde la superficie húmeda. La concentración de solutos en la superficie aumenta, el agua de las soluciones diluidas de las capas más profundas se

Figura 2.–Alteración estructural debida a la contracción de los tejidos.

346 Procesos de conservación de alimentos mueve hacia la superficie, a través de las paredes celulares como consecuencia del gradiente de concentraciones. Esta pérdida de fluido celular provoca una contracción del volumen de la célula. La primera etapa en la contracción de los tejidos es la depresión de la capa superficial de células, produciendo un encogimiento hasta un núcleo húmedo e incompresible. A medida que prosigue el secado, las células de las capas superficiales se aplastan cada vez más, el cubo pierde sus ocho vértices que se transforman en cantos redondeados. Continuando el secado, el encogimiento o contracción empieza a manifestarse en toda la pieza, los ocho vértices del cubo se habrán secado y endurecido, mientras que el centro permanece húmedo y plástico. Las últimas fases de la contracción tienen lugar en el centro principalmente y la pieza adopta formas como la indicada en la figura, aunque lo normal es que presente formas distorsionadas irregularmente. Si las condiciones de secado son lo suficientemente suaves para que las superficies no estén mucho más secas que el centro, la pieza se contraerá con la mínima distorsión en su forma. Sin embargo, si las condiciones iniciales de secado son rigurosas, las capas superficiales se secarán hasta alcanzar una rigidez y resistencia mecánica, mientras el interior de la pieza todavía permanece húmedo y con poca resistencia. Bajo estas circunstancias el volumen final de la pieza está ya prácticamente fijado cuando su humedad media es todavía alta. El resultado es que el tejido se resquebraja o rompe internamente por uno o varios sitios y se arruga. Las grietas internas se abren cada vez más. Una consecuencia de este efecto es que la densidad global de un producto deshidratado está influida de forma importante por las condiciones de secado. Los productos deshidratados rápidamente presentan una densidad aparente menor que los deshidratados lentamente. Si la temperatura del aire de secado es alta y su humedad relativa baja, hay peligro de que la humedad de la superficie del producto se elimine más rápidamente de lo que lo puede hacer la difusión del agua en el interior del alimento, produciéndose entonces lo que se llama “case hardening” (“endurecimiento en caja”). Este fenómeno se evita controlando la humedad relativa del aire circulante y su temperatura. Evidentemente, estas modificaciones de la estructura de los productos afectan a su textura, el calor además coagula las proteínas del protoplasma y destruye las propiedades de las paredes celulares, perdiéndose la turgencia de los tejidos. También resulta afectado con el secado el poder espesante del almidón. Estos cambios son irreversibles con lo cual la textura de los alimentos queda modificada, incluso después de la rehidratación. La carne deshidratada, por ejemplo, presenta una textura correosa más fuerte que el mismo producto congelado. Aún cuando el producto deshidratado recobrara completamente el peso original, no significa que haya recobrado su estructura anterior. El producto rehidratado es, en general, menos jugoso y más correoso que el producto fresco.

Secado

347

7.2.2. Otras alteraciones de naturaleza física El agua no es la única sustancia que cambia de posición dentro del producto cuando se deshidrata. En un tejido vivo, el agua está como solución de muchos constituyentes, algunos de los cuales son pequeñas moléculas, como los azúcares, mientras que otros presentan estructuras moleculares complejas. Durante el secado algunas de estas sustancias disueltas experimentan, como el agua, un movimiento de migración. Con el escaldado de los productos se modifica la permeabilidad de las membranas, permitiendo también la difusión de los componentes de mayor complejidad molecular. Cuando se seca una pieza de tejido escaldado se crea rápidamente en su interior un gradiente de humedades decrecientes hacia el exterior. El agua evaporada en la superficie se sustituye de forma constante por el agua que llega desde el interior de la pieza en un movimiento radial exógeno. El flujo de agua puede ser en forma líquida o de vapor. Si el movimiento del agua tiene lugar en forma líquida, las sustancias disueltas, no volátiles, tienden a acompañar al agua en su marcha hacia la superficie. Por otra parte, la contracción de las capas superficiales comprime el interior de la pieza, lo cual provoca la expulsión del jugo celular y el movimiento también hacia la superficie. Si el cuerpo es blando puede contraerse rápidamente bajo las fuerzas externas, las frutas blandas, la carne y el pescado “rezuman” líquido con alguna frecuencia en las primeras fases del secado. Al principio del secado se puede producir también el movimiento inverso de los solutos en el interior de la pieza a secar. Es decir las sustancias disueltas se mueven en dirección opuesta a la del agua, produciéndose una acumulación de solutos en el centro de la pieza. En el momento en que se crea un gradiente de humedades en el interior de la pieza, los solutos se difunden desde la región de alta concentración en la superficie hacia la zona donde la solución es más diluida, el interior. Este proceso continúa mientras avanza el secado, aunque disminuirá al hacerlo el gradiente de concentraciones y cesará completamente al desaparecer la continuidad de la fase líquida en el producto. En la práctica estos dos mecanismos actúan simultáneamente y el movimiento del soluto en cada caso particular dependerá del predominio de un efecto sobre otro. En patatas y zanahorias escaldadas existe un movimiento neto hacia el interior, lentamente al principio y más intenso cuando se inicia la contracción de la pieza. En las patatas no escaldadas tiene lugar una acumulación periférica durante las primeras fases del secado. Un tipo de alteración térmica observado con alguna frecuencia en patatas deshidratadas es la aparición de un centro pardo en el núcleo de la pieza. Este fenómeno sugiere que la migración de azúcares hacia el centro aumenta la intensidad del pardeamiento. También se produce con la deshidratación una pérdida irreversible del flavor característico del alimento. Al evaporarse el agua del producto, inevitablemente arrastra, por lo menos, trazas de casi todos los componentes volátiles del alimento fresco. Los compuestos orgánicos volátiles responsables del aroma y

348 Procesos de conservación de alimentos flavor tienen puntos de ebullición más bajos que el del agua, por lo tanto se pierden durante el secado. Sin embargo, si se forma una capa delgada de producto seco en la superficie durante los primeros momentos del secado, los componentes volátiles quedan retenidos porque la capa de alimento actúa como una película semipermeable que se deja atravesar por el vapor de agua.

8. SISTEMAS DE DESHIDRATACIÓN Los métodos de secado se han desarrollado alrededor de los requerimientos específicos de cada producto. Por esta razón el proceso tiene lugar de muchas formas y se utilizan diferentes clases de equipos. En general, la deshidratación se conduce según dos métodos básicos: proceso adiabático y no adiabático. En el proceso adiabático el calor de vaporización es suministrado por el calor sensible del aire en contacto con el producto a secar. En el proceso no adiabático, el calor de evaporación es aportado por el calor radiante o por el calor transferido a través de paredes en contacto con el material a secar. En todos los métodos de deshidratación, el alimento a secar se debe poner en contacto con un medio, que con frecuencia es aire, para eliminar la humedad del producto y sus alrededores. Basándonos en la influencia de la transferencia de materia y de la transmisión de calor, se deduce que el sistema de deshidratación más eficaz será aquel que mantenga los máximos valores posibles de los gradientes de presión de vapor y de temperatura entre el aire y el interior del producto a deshidratar. La diversidad de productos alimentarios existente ha llevado a desarrollar muchos tipos de secaderos para la industria alimentaria, que cumplen las condiciones antes citadas junto con altos valores de los coeficientes de convección en la superficie del producto. En la tabla 2 se indican algunos de los productos que pueden ser deshidratados junto con algunos de los posibles tipos de secaderos utilizados. La selección de un tipo particular de secadero y, por tanto, de método de secado, depende de una serie de factores entre los cuales se incluye la forma de las materias primas y sus propiedades, la forma física deseada y las características del producto, las condiciones necesarias de operación y los costes de la misma. Mientras que el secado al sol se practica todavía para algunas frutas tales como ciruelas, uvas y dátiles, el proceso de deshidratación atmosférica se utiliza para manzanas, ciruelas y varias hortalizas. Los procesos continuos, tales como túnel, cinta y lecho fluidizado son principalmente utilizados para hortalizas. El secado por atomización es aconsejable para zumos de frutas concentrados y leche y el proceso de deshidratación a vacío es útil para frutas de baja humedad y alto contenido de azúcar. A continuación se exponen las principales características de estos sistemas de deshidratación y los diferentes tipos de secaderos utilizados.

Secado

349

Tabla 2. Alimentos y productos agrícolas y tipos de secaderos más adecuados (Sokhansanj y Jayas, Mujumdar 1995) Producto

Tipo de secadero

Hortalizas, frutas, confitería

Bandejas y túnel

Forrajes, granos, hortalizas, frutas, nueces, cereales de desayuno

Cinta

Forrajes, granos, manzana, lactosa, estiércol de aves, turba, almidón

Rotativos

Café, leche, te, puré de frutas

Atomización

Leche, almidón, alimentos infantiles predigeridos, sopas, productos de cervecería y destilería

Tambor

Almidón, pulpa de frutas, residuos de destilería

Neumático

Café, esencias, extractos de carne, frutas, hortalizas

Congelación y vacío

Hortalizas

Lecho fluidizado

Zumos

Foam Mat

Manzanas y algunas hortalizas

Horno

8.1. SECADO AL SOL La utilización del calor radiante del sol para evaporar la humedad de los alimentos es el método de secado más antiguo y extendido por todo el mundo. Sin embargo, el secado al aire presenta muchas limitaciones para producciones a gran escala, entre estas se pueden citar los elevados costes de mano de obra, la necesidad de grandes superficies, ausencia de posibilidades de control del proceso de secado, infestación por insectos, posible degradación de los alimentos debida a reacciones bioquímicas y desarrollo de microorganismos, debido entre otras cosas a los largos tiempos de secado. Entre las ventajas de la energía solar la más importante es que se trata de una energía libre, no contaminante, renovable y abundante que no puede ser monopolizada y satisface los requerimientos globales para el Desarrollo Sostenible. Por esta razón en los últimos años se han realizado numerosos intentos para desarrollar el secado solar principalmente para la conservación de productos agrícolas y forestales. El método tradicional de secado al sol consiste en distribuir el producto en una capa fina sobre una superficie uniforme. El producto se remueve y voltea periódicamente durante el secado. La temperatura del producto durante el secado al sol oscila entre 5 y 15ºC por encima de la temperatura ambiente y el tiempo de secado puede alcanzar 3-4 semanas, por ejemplo para uvas y albaricoques. Las características del producto: color, forma y las condiciones de humedad iniciales y finales deseadas influyen sobre la temperatura del producto y el tiempo de secado.

350 Procesos de conservación de alimentos El secado al sol es ampliamente utilizado para el secado de granos, también en frutas y algunas hortalizas. 8.2. SECADO SOLAR El método simple de secado utilizando directamente el sol presenta muchos problemas, tales como lluvia o tiempo nublado, contaminación por polvo, por insectos o por pájaros, y la posibilidad de deterioro por desarrollo de microorganismos y de reacciones químicas y enzimáticas, debido a los largos tiempos de secado. Por esta razón se han desarrollados otros métodos de secado que permiten utilizar la radiación solar como fuente de energía en mejores condiciones. Ahora bien, la utilización de la radiación solar para un secado planificado presenta varias dificultades. Un problema básico es el carácter periódico de esta radiación, lo que ha llevado a pensar en la posibilidad de almacenar parte de la energía obtenida durante los periodos de insolación, por medio de dispositivos de acumulación del calor. Además, incluso en los periodos de radiación pueden producirse dificultades, la intensidad de la radiación incidente es función del tiempo, esto lleva a la necesidad de un adecuado control estratégico y de los medios necesarios para este control. Otro problema es el causado por la baja densidad energética de la radiación solar, que requiere grandes superficies de acumulación de energía. La naturaleza de la radiación solar presenta problemas innatos que requieren medios para su solución tales como acumuladores de calor, fuente auxiliar de energía, sistema de control y gran superficie en colectores solares y en consecuencia los costes en inversiones son evidentemente mayores que en el secado al sol. Por lo tanto la energía solar puede ser utilizada económicamente para el secado sólo si su objetivo se puede coordinar con las características específicas de la radiación solar, así la situación geográfica que afecta al número de días de sol al año y a la intensidad de la radiación incidente proporciona aumentos de energía en algunas zonas. Las ventajas, citadas antes, de la energía solar han hecho que este tipo de secaderos despierten de nuevo interés, siendo muchos los estudios que se están realizando para mejorar su eficiencia. La energía solar se utiliza para secar indirectamente granos, frutas, tales como uvas, ciruelas, dátiles e higos, y forrajes, por ejemplo alfalfa. Los secaderos solares difieren en el modo de calentamiento o en la forma en que se utiliza el calor procedente de la radiación solar. La parte funcional más importante de un secadero solar es el espacio de secado, donde tiene lugar el proceso. En los secaderos solares que reciben directamente la radiación, el material a secar absorbe directamente la energía, en este caso, el espacio de secado tiene una cubierta transparente. En los secaderos por convección, el medio de secado es aire precalentado por la energía

Secado

351

solar en un colector, que convierte la radiación solar en calor. En los sistemas directos de transmisión de calor, el fluido de trabajo del colector solar es el propio aire de secado. En el caso de sistemas indirectos, el fluido de trabajo es un líquido (por ejemplo, agua) y se utiliza un intercambiador de calor líquidoaire para precalentar el aire de secado. Los secaderos solares se clasifican en tres grupos principales, según el tipo de energía utilizada para el secado y el equipo empleado: • Secadero solar natural. • Secadero solar semiartificial. • Secadero solar asistido. 8.2.1. Secaderos solares naturales 8.2.1.1. Secaderos solares directos Son el tipo más sencillo de secadero solar. Generalmente se utilizan para el secado de productos agrícolas, tales como frutas, forrajes y hortalizas. En líneas generales constan de una superficie de secado cubierta por un material transparente, que protege al producto de la lluvia y de la polución. El material a secar se extiende en una capa fina sobre un fondo perforado y es expuesto directamente a la radiación solar. 8.2.1.2. Secaderos solares indirectos En este tipo de secaderos, la radiación solar no incide directamente sobre el producto a secar. El aire se calienta en un colector solar y es conducido a la cámara de secado para deshidratar el producto. Generalmente se utilizan como colectores placas solares para calentar el aire en aplicaciones que utilizan baja y moderada temperatura. La eficiencia de estos colectores depende del diseño y de las condiciones de operación. En la figura 3 aparece el esquema de un secadero de este tipo. El material a secar se coloca sobre estantes perforados (1) situados unos encima de otros. La pared frontal del secadero debe estar orientada al sur y la parte superior (2) tiene una cubierta transparente (vidrio por ejemplo), la pared trasera (3) está aislada térmicamente, tanto esta pared como el fondo están recubiertos por una capa de pintura negra. El aire del ambiente se calienta con un colector plano (4), unido al fondo de la caja, y fluye por sí solo al espacio de secado. El aire húmedo sale al exterior. 8.2.2. Secaderos solares semiartificiales En este tipo de secaderos solares el caudal másico de aire requerido es proporcionado por un ventilador. Uno de los sistemas más extendido para

352 Procesos de conservación de alimentos

OR ECT R COLECTO

COL

Figura 3.–Secadero solar indirecto.

el secado de productos agrícolas es el secadero solar de túnel. En la figura 4 se representa un esquema de este tipo de secadero con disposición en serie. El túnel tiene una cubierta transparente, la primera sección sirve como colector solar para precalentamiento del aire, la superficie del fondo de esta zona está pintada de negro. La siguiente sección del túnel es el espacio de secado, el material a secar se extiende sobre el fondo y recibe directamente la radiación del sol. La longitud del túnel se puede reducir situando en paralelo el colector y el espacio de secado.

Cubierta transparente Entrada aire

Salida aire

Colector Zona de secado

Producto secándose

Figura 4.–Secadero solar de túnel (disposición en serie).

Secado

353

8.2.3. Secaderos solares asistidos En este tipo de secaderos se puede llevar a cabo un proceso de secado planificado y optimizado para obtener productos de calidad. Se elimina la influencia de las condiciones climatológicas sobre la calidad del producto por la utilización de una fuente de energía independiente. Se trata de secaderos convencionales a los que se ha añadido equipamiento suplementario, para poder utilizar una proporción significativa de energía térmica que reemplace la energía solar. La conexión a los secaderos solares de un equipo para almacenamiento físico del calor se justifica principalmente por tres razones: • El tiempo diario de secado puede ser ampliado a aquellas horas en que no hay sol. • Se puede prevenir el sobresecado almacenando el exceso de energía solar recogida en los periodos de mayor radiación • Se puede controlar la temperatura de secado. Este almacenamiento de calor se puede realizar por medio de agua. En la figura 5 se presenta un esquema de un secadero de este tipo. El fluido de trabajo del colector solar (1) es agua, que circula por medio de una bomba (2) a través de la tubería (3). El agua caliente fluye al tanque de almacenamiento de calor (4). El ventilador (7) toma el aire atmosférico y lo hace pasar por el intercambiador agua-aire (5). El medio primario de intercambio de calor es el agua que circula por medio de la bomba (6) desde el tanque de almacenamiento de calor (4). Se puede utilizar un calentamiento auxiliar del aire (8) si se requiere mantener la temperatura del aire a un valor determinado. El material a secar se coloca en el lecho estático (9). También se pueden utilizar otros tipos de medios de almacenamiento de calor, por ejemplo material adsorbente, zeolita o gel de sílice, o por medio de bombas de calor.

SALIDA AIRE TANQUE

ENTRADA AIRE

COLECTOR

Figura 5.–Secadero solar asistido con almacenamiento de calor por agua.

ZONA DE SECADO

354 Procesos de conservación de alimentos 8.3. SECADO POR GASES CALIENTES En la actualidad la mayor parte de los productos deshidratados, particularmente frutas y hortalizas, se obtienen por medio de esta técnica, que es la más simple y la más económica. Se han diseñado y comercializado diferentes tipos de secaderos basados en este principio. Con este método, los gases calientes se ponen en contacto con el material húmedo a secar para facilitar la transferencia de calor y de masa, siendo la convección el mecanismo principalmente implicado. Se les llama también, por lo tanto, secaderos directos o por convección. Los gases calientes arrastran fuera del secadero los vapores producidos. Los gases calientes pueden ser: aire calentado por medio de vapor de agua, gases de combustión y vapor recalentado. Los factores que afectan a la velocidad y al tiempo total de secado son fundamentalmente cuatro: las propiedades físicas del producto, especialmente el tamaño de partícula y la geometría; su organización geométrica con respecto al aire; propiedades físicas del aire (temperatura, humedad, velocidad) y las características de diseño del secadero (en paralelo, contracorriente, lecho agitado, neumático, etc.). La elección de un método de secado para un producto viene determinada por los atributos de calidad deseados, materia prima y por razones económicas. Pueden ser continuos o por cargas, siendo el costo de funcionamiento menor en los primeros, los secaderos discontinuos o por cargas se utilizan para bajas capacidades de producción y para el tratamiento de productos que exigen una manipulación especial. En general son aparatos sencillos y de fácil manejo. Son los más utilizados en las industrias agroalimentarias. En esencia constan de las siguientes partes: – Recinto, generalmente calorifugado, donde se realiza el secado. – Sistema de calefacción. – Sistema de impulsión de aire. En el esquema de la figura 6 se indica una clasificación de los principales tipos de secaderos, según el procedimiento usado en la transmisión de calor. 8.3.1. Secaderos de horno Son los más simples. Constan de un pequeño recinto de forma paralepipédica de dos pisos. En el piso inferior se instala el quemador encargado de calentar el aire, que atraviesa, por convección natural o forzada, el techo perforado sobre el que se asienta el lecho del producto a secar. Su utilización en la industria de alimentos es muy reducida, empleándose para el secado de manzanas, lúpulo y forrajes verdes.

Secado

355

Figura 6.–Clasificación de los principales tipos de secaderos.

8.3.2. Secaderos de bandejas o de armario Están formados por una cámara metálica rectangular (armario), en cuyo interior se disponen unos bastidores móviles. Cada bastidor lleva un cierto número de bandejas poco profundas, montadas unas sobre otras con una separación conveniente, colocándose sobre ellas el producto a secar. El ventilador colocado en la parte superior hace circular el aire por los calentadores y después entre las bandejas, con la ayuda de unos deflectores montados convenientemente. El calentador está constituido por un haz de tubos en cuyo interior circula normalmente vapor de agua. Por el con-

356 Procesos de conservación de alimentos ducto de salida se evacua constantemente aire húmedo, mientras que a través de la abertura entra aire fresco. Al final del ciclo de secado, que habitualmente es largo, se sacan del secadero los bastidores para proceder a la descarga del producto seco y a una nueva carga de producto húmedo. El calor del medio de secado (aire caliente) se transmite al producto por convección; la corriente de convección pasa sobre el producto, no a través del mismo. El aire debe circular sobre la superficie del producto, como se ha dicho, a relativamente alta velocidad para aumentar la eficacia de la transmisión de calor y de la transferencia de masa. En la figura 7 se representa un esquema de este tipo de secaderos.

Figura 7.–Esquema de un secadero de bandejas o de armario.

La velocidad de aire entre las bandejas varía con el tipo de producto, oscilando normalmente entre 1 y 10 m.seg–1. Se consiguen velocidades de evaporación de 0,1 a 1 kg. de agua.h–1.m–2, con espesores de lecho entre 10 y 100 mm. Cuando las características del material y su manejo lo permiten, se utilizan bandejas perforadas, en las que el aire circula a través de la capa de sólidos, con lo que se consigue aumentar la superficie de producto expuesta a la acción del aire, disminuyéndose así el tiempo de secado. A pesar de que de esta forma la velocidad de paso del aire a través del sólido se reduce a 0,6-1 m.seg–1, la eficiencia del secado aumenta, y se consigue la evaporación de 1 a 10 kg de agua.h–1.m–2.

Secado

357

Los rendimientos térmicos de estos secaderos suelen estar comprendidos entre el 20 y el 60%, pudiendo ser más bajos. Para mejorar este rendimiento se recircula la mayor parte del aire, introduciéndose aire fresco hasta un 15% del total de aire recirculado. Los secaderos de bandejas son útiles para secar pequeñas cargas de productos valiosos. En general se aplican cuando la capacidad necesaria no excede de 25 a 50 kg.h–1 de producto seco. Son secaderos muy utilizados a pequeña escala, en laboratorio y en plantas piloto. Es relativamente fácil ajustar y controlar las condiciones óptimas de secado en el interior del armario, por esta razón se pueden utilizar para deshidratar productos sensibles al calor en pequeñas cargas. Tienen la desventaja de no secar el producto de forma uniforme, dependiendo de su posición en el secadero, por ello, puede ser necesario girar las bandejas durante el proceso para conseguir un secado uniforme. En este tipo de secaderos se puede tratar prácticamente cualquier producto, alimentos de cualquier tamaño y forma, pero a causa de la mano de obra requerida para la carga y descarga, su operación resulta costosa para su baja capacidad de producción. Sin embargo, su polivalencia y la buena calidad de los productos obtenidos, los hacen utilizables para deshidratar: zanahorias, espinacas, ajo, perejil, judías verdes, champiñones, cebollas, guisantes, frutas, carne y sus productos, etc. 8.3.3. Secaderos de túnel Los secaderos de túnel pueden presentar configuraciones diferentes pero en general son cámaras de secado rectangulares. Son semejantes a los secaderos de bandejas, pero de funcionamiento semicontinuo, para lo cual el producto a secar va colocado también sobre unas bandejas, que son transportadas por el interior del túnel en carretillas, que entran por un extremo con el producto húmedo y salen por el extremo opuesto con el producto seco. Estas carretillas circulan por el túnel a una velocidad determinada para que el tiempo de permanencia del producto en el mismo sea el necesario para lograr el secado deseado. Cuando se introduce una carretilla con producto húmedo, se saca a la vez otra con producto seco, mientras que las restantes adelantan un puesto en la trayectoria. El aire caliente se introduce por un extremo del túnel y circula a una velocidad también predeterminada a través de las bandejas que llevan el producto. Las características de secado de estos equipos están relacionadas con su diseño y especialmente con la dirección relativa del movimiento de las carretillas y del aire. En los diseños convencionales, el aire circula horizontalmente, en paralelo a la dirección del movimiento de las carretillas o transversal a esta dirección. En el primer caso se presentan dos posibilidades: flujo paralelo y en contracorriente.

358 Procesos de conservación de alimentos En la figura 8 se recogen dos esquemas de secaderos de túnel, en el primero de ellos el aire y el producto a secar circulan en paralelo y en el segundo lo hacen a contracorriente. En los sistemas de circulación en paralelo, el producto muy húmedo se expone al aire muy caliente, con lo que la alta evaporación ayuda a mantener baja la temperatura en el producto. En las proximidades de la salida del túnel el producto con baja humedad está expuesto al aire a menor temperatura. En los sistemas en contracorriente, el producto menos húmedo se encuentra expuesto al aire más caliente y el gradiente de temperatura disminuye a medida que nos aproximamos a la entrada del producto en el túnel.

Figura 8.–Esquemas de secaderos de túnel.

En un mismo túnel puede haber circulación en paralelo al principio y en contracorriente al final del proceso; con este sistema se obtienen las mejores condiciones de secado. Con la circulación en paralelo tiene lugar un secado inicial muy rápido, por desarrollo de un buen gradiente de humedad en el interior de la pieza a secar, mientras que en la circulación en contracorriente, las mejores condiciones de secado se presentan a medida que el alimento se aproxima al extremo de descarga. Así pues, uno de los más utilizados es un equipo que consta de dos túneles en serie, equipado cada uno de ellos con sus propios sistemas de calefacción e impulsión de aire (figura 9).

Secado

359

Figura 9.–Circulación en paralelo y en contracorriente.

En la figura 10 se representa el esquema de un sistema que utiliza la circulación del aire perpendicular al movimiento de avance de las carretillas. En este caso, la presencia de calentadores en cada una de las vueltas posibilita un buen control de la temperatura a lo largo del secadero. Además tiene la ventaja de que en cada etapa cambia el sentido del flujo de aire, lo que determina una distribución más uniforme de la humedad en el producto final. Los secaderos de túnel son simples y versátiles en comparación con otros tipos de secaderos, conservan la flexibilidad de los secaderos de bandejas en cuanto a la gama de productos que permiten tratar, en tanto que se adaptan a elevadas capacidades de producción con un funcionamiento prácticamente continuo. Debido a su versatilidad son muy utilizados a gran escala para el secado de varios tipos de alimentos.

Figura 10.–Circulación perpendicular de aire.

360 Procesos de conservación de alimentos 8.3.4. Secaderos de cinta transportadora Son secaderos continuos con circulación de aire a través del material, que se traslada sobre un transportador de cinta perforada. Esta cinta suele ser de malla metálica o de lámina de acero perforada. El producto húmedo se carga de forma mecanizada, en un extremo de la cinta, en capas de 10 a 15 cm de espesor. La cinta transportadora, de unos 20 m. de longitud y 0,5 a 2 m de anchura, se desplaza a una velocidad que viene fijada por el tiempo de secado (figura 11). Normalmente el equipo está constituido por secciones en las que la corriente de aire de secado cambia de sentido. Generalmente estas secciones están construidas como módulos independientes, con su propio sistema de impulsión y calefacción, de forma que pueden establecerse en cada una de estas secciones unas condiciones de secado diferentes. En las proximidades del extremo de descarga, el aire suele circular en sentido descendente, con el fin de evitar el arrastre de partículas finas del producto seco.

Entrada producto

Figura 11.–Esquema de secadero de cinta transportadora (Proctor).

La construcción del secadero como dos módulos separados (figura 12), posibilita la mezcla uniforme del producto parcialmente seco al final del primer módulo, y su recarga en capas de mayor profundidad antes de entrar en el segundo módulo, que tiene menor velocidad de traslación. Esto facilita la obtención de productos de mayor calidad y constituye un ahorro de superficie de cinta en la última sección. Cuando son necesarios tiempos de secado muy largos, se puede conseguir reducir las dimensiones totales del equipo montando en su interior dos o tres cintas superpuestas (figura 13).

Secado Entrada producto

361

Salida producto

Figura 12.–Esquema de secadero de cinta transportadora de dos módulos (Proctor).

Figura 13.–Esquema de secadero de cinta transportadora con cintas superpuestas (Proctor).

El calentamiento del aire se consigue normalmente por medio de vapor que condensa en el interior de un haz de tubos, atravesados exteriormente por el aire de secado. También pueden utilizarse gases de combustión para realizar esta calefacción. Los secaderos de cinta transportadora están concebidos fundamentalmente para el secado a gran escala de un sólo producto a lo largo de su campaña de recolección. Son equipos poco versátiles, es decir, no son adecuados para procesos en los que se deba cambiar frecuentemente la materia prima y, por tanto, las condiciones de secado. 8.3.5. Secaderos rotatorios Son secaderos de funcionamiento continuo que constan de una carcasa cilíndrica que gira sobre unos soportes adecuados, por lo general esta carcasa está ligeramente inclinada respecto a la horizontal. La longitud del cilindro varía entre 4 y 10 veces el diámetro, cuyos valores oscilan entre 0,3 y 3 m. El producto húmedo se introduce por un extremo del cilindro, avanza por él por gravedad, en virtud de la rotación del mismo y de la inclinación de la carcasa, y sale seco por el otro extremo. Cuando los gases calientes circulan en el sentido del avance del material, le ayudan a desplazarse a lo largo del secadero. El medio de calefacción es aire caliente o gases procedentes de la combustión que entran en contacto directo con el material, y pueden circular por el interior del cilindro en paralelo o a contracorriente. Este tipo de secaderos suele estar equipado con aletas en la superficie interior del cilindro, con el fin de que se produzca el movimiento del sólido húmedo, su elevación a lo largo de la pared y su caída, transversal a la dirección de los gases calientes. Estas aletas pueden ser de forma variada, adaptándose a las características del producto. Cuando la circulación es en paralelo, se

362 Procesos de conservación de alimentos suprimen las aletas de la parte final para impedir un arrastre excesivo de polvo en los gases. Normalmente se instalan ciclones para recoger el polvo arrastrado por el aire. Los secaderos rotativos trabajan a velocidades periféricas entre 0,2 y 0,5 m.seg–1, la inclinación de los cilindros varía entre 0 y 0,08 metros por metro. En algunos casos de funcionamiento con circulación en paralelo, se emplean inclinaciones negativas para aumentar el tiempo de retención. La temperatura del aire a la entrada depende de la naturaleza del producto a tratar y de la circulación del aire en relación con el avance del producto. Con circulación en paralelo se emplean temperaturas más elevadas que con circulación a contracorriente. En el secado de subproductos agrícolas, son normales temperaturas del orden de 300ºC. Los secaderos rotatorios son apropiados para secar sólidos granulares o cristalinos, que presenten una adecuada resistencia a la rotura y a la abrasión, que fluyan con relativa libertad. También son útiles para materiales finos, si el arrastre de polvo no es excesivo. Este tipo de secadero ha sido muy utilizado, aunque los secaderos de lecho fluidizado parecen llamados a sustituirlos en muchas de sus aplicaciones.

Figura 14.–Instalación de secadero rotatorio (Funcor-Atlas).

En la figura 14 se representa una instalación completa de secadero rotatorio, en la que (A) es la cinta de alimentación, (B) quemador de fuel-oil, (C) horno, (D) es el tambor de secado, (E) ciclón principal, (F) ventilador principal, (G) molino y (H) transporte neumático del molino. 8.3.6. Secaderos de lecho fluidizado Este tipo de secaderos se utilizó originariamente para acabado del secado de gránulos de patata. En ellos, el aire caliente se utiliza simultáneamente como agente de secado y de fluidización al ser forzado a pasar a través del lecho de partículas del alimento, con una velocidad alta, suficiente para vencer las fuerzas gravitacionales del producto y mantener las partículas en estado

Secado

363

suspendido. Las velocidades de aire que se requieren para conseguir esta fluidización varían con el producto y más específicamente con el tamaño de partícula y densidad. La mayor limitación de estos secaderos es el estrecho rango de tamaño de partícula (el diámetro usualmente oscila entre 10 µm y 20 mm) que puede efectivamente ser fluidizado. La fluidización es una forma muy efectiva de maximizar la superficie de secado con un espacio total pequeño, se consigue una gran superficie efectiva de contacto entre el sólido que se seca y el aire. Este hecho, unido a que el sólido en lecho fluidizado está sometido a una acción de mezcla muy intensa, permite utilizar aire caliente a temperaturas muy elevadas. De este modo se consiguen grandes velocidades de transferencia de materia entre el sólido y el aire, y por lo tanto tiempos de secado muy cortos. Estas altas velocidades de secado suponen tiempos de retención del producto en el equipo pequeños, lo que se traduce en instalaciones relativamente reducidas, que ocupan poco espacio en planta. Los coeficientes volumétricos de transferencia de calor en un lecho completamente fluidizado son cuatro veces mayores que en un secadero rotatorio.

Figura 15.–Esquema de secadero de lecho fluidizado.

Los secaderos de lecho fluidizado pueden presentar muchas formas, pero básicamente constan de una simple cámara provista en su base de una rejilla para distribuir uniformemente los gases calientes a todo lo ancho y largo del lecho. Frecuentemente la sección próxima a la rejilla es desmontable, para facilitar su limpieza. La parte superior suele terminar en punta para reducir el arrastre de polvo.

364 Procesos de conservación de alimentos Gracias a la uniformidad perfecta que se consigue en el secado por fluidización, se puede trabajar con aire a la temperatura máxima soportable por el producto, siendo normales las temperaturas de 150ºC e incluso superiores con productos vegetales. El secado por fluidización se ha utilizado para secar materiales pastosos, aunque es especialmente adecuado para productos homogéneos pulverulentos o granulares, que fluyen libremente, siempre que la formación de polvo no sea excesiva y que las partículas tengan resistencia a la abrasión y no sean fibrosas. Los alimentos que pueden secarse por medio de lecho fluidizado deben tener las siguientes características: • El tamaño medio de partícula debe estar comprendido entre 10 µm y 20 mm. Las partículas muy finas tienden a agruparse. • La distribución de tamaño de las partículas debe ser razonablemente reducido. Un rango amplio de tamaños de partícula hace prácticamente imposible la selección de la velocidad del gas. Un lecho fluidizado vibratorio puede resolver este problema cuando es imposible disponer de un tamaño uniforme de producto. • La forma de las partículas debe ser regular. • Una agrupación de partículas puede desintegrarse con facilidad en la fluidización. Algunos productos granulares son difíciles de secar en lecho fluidizado estacionario, como consecuencia de una o más de las siguientes propiedades físicas: – Amplia distribución de tamaño de partícula. – Baja resistencia de las partículas húmedas o secas. – Viscosidad o termoplasticidad de las partículas. – Propiedades pastosas de los alimentos húmedos. La amplia distribución de tamaños de las partículas de algunos productos hace muy difícil la elección de la velocidad del aire en lechos fluidizados estacionarios. Una alta velocidad del aire, que es necesaria para la fluidización de partículas grandes, causa una gran proporción de pequeñas partículas que son arrastradas desde el lecho sin haber sido secadas suficientemente; o de otra forma, una baja velocidad del aire puede no producir la fluidización y por tanto el transporte de las partículas grandes a través del secadero queda dificultado y puede tener lugar la desfluidización. Es posible secar productos que tengan las propiedades antes citadas utilizando un lecho fluidizado vibratorio poco profundo, que normalmente es un lecho rectangular que vibra con una frecuencia de 5-25 Hz con amplitud media de pocos milímetros (figura 16). El vector de vibración se aplica con un ángulo (0-45º) con respecto a la vertical y el material es fácilmente transportado a través del secadero como consecuencia del efecto combinado de la fluidización y de la vibración.

Secado

365

SALIDA DE AIRE

ENTRADA DE PRODUCTO

2 1

ENTRADA DE AIRE

ENTRADA DE AIRE

SALIDA DE PRODUCTO

Figura 16.–Lecho fluidizado vibratorio (1: vibrador; 2: placa perforada corrugada).

Las velocidades del aire requeridas para obtener un buen movimiento de los sólidos a través del lecho fluidizado vibratorio puede ser el 20% de la velocidad mínima del gas de fluidización para el producto. Por lo tanto la cantidad de aire para fluidización y secado se puede elegir con cierta libertad entre un amplio rango, sin afectar al transporte ni al tiempo de residencia del producto, que se controla principalmente por ajuste de la amplitud y dirección de la vibración. Cuando se ha elegido una cantidad de aire relativamente baja, las partículas más grandes serán sólo parcialmente fluidizadas, sin embargo, el arrastre de las partículas pequeñas se reduce y se puede conseguir un buen control del tiempo de residencia de las partículas pequeñas. El secado por fluidización es ideal para productos en los que se deba eliminar la humedad superficial solamente, si bien cuando el secado corresponde a la etapa de “velocidad decreciente” puede ser mejor aplicar otros tipos de secaderos (rotatorio por ejemplo), donde es más sencillo conseguir tiempos de secado más largos. Se utiliza para el secado comercial de guisantes, judías y vegetales en cubos, y también para secado de gránulos de patatas, cebolla en copos y zumos de frutas en polvo. Con frecuencia se utiliza como secadero secundario para acabar el proceso de secado iniciado con otros tipos de secaderos. Los secaderos de lecho fluidizado vibratorio son muy utilizados para leche, suero, cacao, café, hojas de té, etc., se utiliza principalmente como secadero final para instantaneización después de un secado por atomización. En la

366 Procesos de conservación de alimentos 8 2 1

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Figura 17.–Instalación de lecitinación.

figura 17 se indica el esquema de una instalación de lecitinación, en la que a un sistema de secado por atomización se añade un secadero de lecho fluidizado vibratorio para la operación de lecitinación. En esta figura, (1) es la entrada de aire caliente, (2) la alimentación del producto a secar, (3) cámara de secado, (4) ciclones principales (5) transportador vibratorio (6) válvula rotatoria (7) conducto de retorno de finos, (8) retorno de finos, (9) lecho fluidizado de secado final (10) lecho de enfriamiento (11) equipo de lecitinación y (12) salida del producto seco. La leche entera en polvo y otros productos en polvo que contengan grasa, son difíciles de reconstituir en agua fría si están aglomerados, tales polvos se cubren por una capa fina de grasa libre que los hace hidrófobos. Cubiertos por agentes humectantes como la lecitina se hacen humectables y solubles en agua fría. La lecitina usualmente se aplica en cantidad del 0,2% (de polvo) en solución de 30% de aceite de mantequilla. Se pulveriza sobre el chorro de polvo concentrado entre dos lechos fluidizados, como en la figura, o directamente en la capa fluidizada. El lecho fluidizado se puede utilizar también para granulación de productos, se trata de un proceso formador de partículas por el cual un alimento líquido que contiene un sólido se transforma en estado granular sólido por atomización del líquido en una capa fluidizada de gránulos ya formados. El alimento líquido puede ser una solución, una suspensión o estar fundido, y el proceso de granulación por lecho fluido implica secado, enfriamiento, reacción,

Secado

367

mezcla, aglomeración, granulación y recubrimiento. La parte más característica y esencial del proceso es la formación de nuevas partículas y su crecimiento en el lecho fluido (figura 18).

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1

6

Figura 18.–Principio de granulación por cargas en lecho fluido (ICF).

El polvo a tratar se carga en la primera sección del recinto (1) para ser sometido a mezcla en lecho fluidizado en la cámara de turbulencia (2) generada por el aspirador centrífugo (8), dónde se produce la granulación por inyección del líquido aglomerante por medio de una boquilla hidroneumática de cabeza múltiple (7), alimentada por una bomba de caudal variable (6). En esta fase, las partículas, progresivamente humidificadas por el líquido nebulizado, se aglomeran hasta formar un gránulo de dimensiones variables, en función de las características químico-físicas del polvo de origen, del líquido aglomerante y del tiempo de proceso. La desecación final del producto hasta el punto deseado, se produce por medio del aire caliente generado por una batería de calentamiento (5) previa filtración del aire ambiente (4); el aire utilizado se somete a filtración (3). Una vez se ha formado el lecho fluido con el polvo a ser granulado, se atomiza el líquido sobre la capa fluidizada y comienza la aglomeración y granulación. Las partículas permanecen unidas en estado húmedo por puentes de líquido y en estado seco por puentes sólidos producidos por

368 Procesos de conservación de alimentos endurecimiento y cristalización de las sustancias disueltas. El polvo arrastrado por el gas se recoge en el filtro de mangas situado por encima del lecho fluido y se recircula hasta la capa fluidizada. Cuando la granulación es completa se aumenta la temperatura del lecho fluido, con lo cual se secan finalmente los gránulos. El proceso puede ser discontinuo, tal como se ha descrito, o continuo. 8.3.7. Secaderos por arrastre neumático Son secaderos continuos de calentamiento directo, en los que la eliminación de la humedad se realiza dispersando el producto a secar en una corriente de gases calientes que lo transportan a velocidades elevadas. El secado tiene lugar durante el transporte. La gran superficie expuesta al aire, la diferencia entre la velocidad del aire y la del producto y la gran turbulencia originada, hacen que la velocidad de transmisión de calor desde el gas a las partículas sólidas suspendidas sea alta y los tiempos de secado muy breves, pudiendo emplearse aire a altas temperaturas. En esencia, los elementos básicos que integran un secadero neumático son: • Generador de aire caliente. • Alimentador de producto húmedo. • Ventilador. • Conducto de secado y transporte simultáneos. • Ciclón o ciclones. Para determinados productos se incorpora un molino triturador. La alimentación húmeda entra por el mezclador, en donde se incorpora suficiente material seco para que pueda fluir libremente. El material mezclado se descarga en el interior de un molino de martillos, que es barrido por los gases de combustión calientes procedentes del generador (figura 19). El sólido pulverizado es arrastrado fuera del molino por la corriente gaseosa a través de una conducción bastante larga, en la que tiene lugar el secado; la longitud de esta conducción debe ser la adecuada para conseguir el secado deseado. Los gases y el material seco se separan en el ciclón, y el gas limpio sale por el extractor. Los sólidos se retiran del ciclón a través del alimentador en estrella, que los lleva hasta el repartidor de sólidos, que recircula parte del material seco para mezclarlo con la alimentación. Se utilizan velocidades de aire entre 8 y 30 m.s–1 con relaciones kg sólido por kg gas variables entre 0,3 y 1, según el producto. Incluso con conductos de secado largos, el tiempo de permanencia de los sólidos en la conducción es muy corto, del orden de 5 s, lo que permite utilizar temperaturas del aire a la entrada muy elevadas, que varían entre 150 y 700ºC. Aún utilizando aire a temperatura tan elevada, con tiempos de permanencia tan cortos, se consigue que la temperatura del sólido no llegue a supe-

Secado

369

Aire

Ciclón

Alimentador en estrella Repartidor de sólidos

Alimentación húmeda

Descarga Mezclador

Generador de aire caliente

Molino de martillos

Figura19.–Secadero por arrastre neumático.

rar los 40ºC, lo que permite utilizar este tipo de secaderos para productos sensibles al calor. La capacidad de evaporación disminuye a lo largo del trayecto del sólido y depende de la temperatura del aire a la entrada y de la relación sólido/aire. Las ventajas que presenta este método de secado son: • Transporte simultáneo del producto. • Posibilidad de clasificación por tamaño de partícula. • Coste inicial bajo. • Simplicidad mecánica. • Economía de espacio en planta. • Polivalencia. Junto al sistema básico que se ha descrito, se han desarrollado dispositivos y montajes particulares que permiten la mejora del proceso de secado, adaptándolo a las características del producto. Existen instalaciones con la conducción de transporte neumático en anillo cerrado (figura 20), con el fin de aumentar el tiempo de contacto aire-producto a costa de reducir la capacidad del equipo.

370 Procesos de conservación de alimentos Aire

Ventilador triturador Ventilador Ciclón Producto húmedo

Calentador de aire

Producto seco

Figura 20.–Secadero por arrastre neumático en circuito cerrado.

Otro sistema interesante es el secadero en “surtidor de aire” (figura 21). El material húmedo es dispersado en el aire caliente y secado en el interior del cono central. Las partículas secas, más ligeras, son conducidas al ciclón, mientras que las partículas más pesadas y húmedas caen en la cámara exterior recorriendo una espiral con la ayuda de una corriente de aire tangencial, para volver a introducirse en el interior del cono hasta terminar su secado. Los secaderos neumáticos son apropiados para todos los productos que puedan dispersarse adecuadamente en una corriente de gases y transportarse. Resultan adecuados para productos granulados o muy divididos (forrajes, almidones, harinas, gránulos de patata) que pierdan rápidamente su humedad y que no resulten afectados por la erosión que sufren durante el transporte. No son adecuados sin embargo para productos muy abrasivos, o que no admitan roturas, ni para los que tengan tendencia a adherirse a las paredes. 8.3.8. Secaderos por atomización El método de secado por atomización es el más importante para secar productos líquidos. Por definición es la transformación de una alimentación en estado fluido a una forma seca por atomización en un medio caliente. Se basa, pues, en la evaporación rápida del disolvente por pulverización del producto a secar en el seno de una corriente de gas caliente.

Secado Salida del aire

Salida de producto

Entrada producto húmedo y reciclado

Entrada del aire

Figura 21.–Secadero “surtidor de aire”.

Las partes esenciales de un equipo de secado por atomización son: • Sistema calefactor del aire. • Sistema de atomización del producto líquido. • Cámara de secado. • Sistema de separación de polvo. • Sistema de impulsión del aire.

371

372 Procesos de conservación de alimentos a) Sistemas de calefacción del aire El aire puede calentarse: Por combustión directa de un gas o fuel-oil en el seno de la corriente de aire, que si bien proporciona el máximo rendimiento no se utiliza en alimentación pues los productos pueden contaminarse o adquirir sabores y olores extraños. En cambiadores de calor con vapor de agua a presión, que es el procedimiento más utilizado. Si se requieren temperaturas muy elevadas es más económico recurrir a quemadores especiales de aceite, donde el aire se calienta indirectamente. Este sistema de gran eficiencia térmica es muy utilizado en industrias lácteas. Por resistencias eléctricas, sistema que se reserva para su uso en instalaciones de pequeña capacidad o piloto. b) Sistemas de dispersión El objetivo de los sistemas de dispersión es transformar el alimento líquido en un gran número de finas gotitas de una distribución de tamaños bien definida. Industrialmente existen tres sistemas de dispersión o atomización: • Rodetes centrífugos. • Toberas a presión (líquido a presión). • Toberas de doble fluido (aire a presión). En los rodetes centrífugos (figura 22) la acción de la fuerza centrífuga se superpone a un efecto del choque del líquido y separación de este en el interior del rotor. El rodete es un disco parcialmente cerrado que gira alrededor de su eje de simetría. El producto entra por la parte central y es acelerado por la fuerza centrífuga a través de los conductos hasta la periferia. Estos conductos son usualmente radiales, de forma cilíndrica o rectangular. En algunos casos estos con-

Figura 22.–Rodete centrífugo con la placa superior desmontada (NIRO, A/S, Copenhagen, Dinamarca).

Secado

373

ductos presentan alguna curvatura, para eliminar las burbujas de aire. Los atomizadores rotativos trabajan con una velocidad periférica de 100-200 m.s–1. Los rodetes o discos centrífugos varían ampliamente en tamaño y velocidad de giro. La mayor parte de los discos centrífugos presentan un tamaño comprendido entre 15 y 35 cm de diámetro, y se utilizan a velocidades de entre 5.000 y 25.000 r.p.m. Las propiedades del producto final están controladas por la velocidad de rotación del disco. Los rodetes centrífugos tienen la ventaja de ser polivalentes y permiten la dispersión satisfactoria de líquidos viscosos y heterogéneos. No presentan problemas de obstrucciones y en ellos son también despreciables los problemas de erosión provocados por los sólidos en suspensión. La granulometría del polvo puede regularse fácilmente, en el curso del secado, modificando la velocidad de giro y la concentración del producto alimentado. En las toberas a presión (figura 23) la energía de presión suministrada por bombas de alta presión se convierte en energía cinética. Se basan por tanto, en la impulsión del líquido a secar a presiones de 10 a 60 bar a través de boquillas. La boquilla consta, en esencia, de un pequeño tubo provisto de un orificio especial. El tubo imparte al líquido un movimiento en espiral y éste sale del

Figura 23.–Tobera a presión.

374 Procesos de conservación de alimentos orificio en una fina niebla en forma de cono. La presión de impulsión del fluido depende del tamaño del orificio y de la velocidad de alimentación. Las bombas de alimentación son del tipo de engranajes, para presiones bajas, y de pistón doble para presiones elevadas. Con el fin de proporcionar los rendimientos adecuados y trabajar con suspensiones de distinta naturaleza, pueden utilizarse boquillas intercambiables con orificios de distintos tamaños. Este sistema es poco polivalente, ya que cada boquilla sólo es adecuada para un producto de viscosidad y estructura constantes y determinadas. Las boquillas de presión son extremadamente sensibles a los problemas de erosión. Las toberas de doble fluido o toberas neumáticas (figura 24) se basan en el empleo de la energía de un fluido auxiliar para dispersar el líquido a secar. El fluido auxiliar suele ser aire comprimido (5-10 bar) y menos frecuentemente nitrógeno y vapor de agua. La construcción de una tobera neumática es sencilla, el dispositivo más corriente consta de un eje tubular que canaliza la corriente del producto a atomizar y de un tubo anular y concéntrico que rodea al de alimentación. La corriente de fluido auxiliar desgarra literalmente la corriente del fluido principal en finísimas partículas. La principal desventaja del sistema estriba en el amplio espectro de tamaño de partíLíquido Aire

Figura 24.–Tobera neumática.

Secado

375

culas a que da lugar. Su empleo está casi circunscrito al secado de líquidos muy viscosos. El diseño del equipo de atomización depende del tamaño de partícula y de las propiedades requeridas en el producto seco. Estas propiedades pueden ser la textura, solubilidad, densidad y capacidad de humectación. c) Cámara de secado La cámara de secado adopta diferentes formas, y en ella se trata de conseguir la mezcla íntima del aire caliente con las gotas finamente dispersas del producto a secar. Las cámaras de secado se clasifican según las direcciones de los flujos de aire y de producto: • Horizontal paralelo. • Vertical paralelo descendente de flujo lineal de aire. • Vertical paralelo descendente de flujo helicoidal de aire. • Vertical paralelo ascendente. • Vertical en contracorriente. En la figura 25 se representan esquemas de los diferentes tipos de cámaras de secado.

Figura 25.–Tipos de cámaras de secado.

376 Procesos de conservación de alimentos Los dispositivos de circulación en paralelo son los más utilizados por su concepción sencilla y polivalencia. En ellos, la mayor parte del agua se evapora cerca del sistema de dispersión del alimento líquido, por lo que el aire se enfría rápidamente, las paredes permanecen frías y el producto se deshidrata casi completamente. d) Sistemas de separación del polvo A pesar del cuidadoso diseño de los sistemas de dispersión, es inevitable la formación de un amplio espectro de partículas de distintos diámetros. En los sistemas modernos se produce una separación parcial en la cámara de secado, la fracción del polvo constituida por las partículas de gran tamaño sedimenta en el fondo de la misma de donde se retira por un mecanismo adecuado. El aire que sale contiene entre un 5-50% del polvo producido (dependiendo del producto), a esta parte del polvo se le conoce como finos y está compuesta por la fracción de tamaño más pequeño. La separación de los finos se realiza con separadores de dos tipos: ciclón y saco. Un colector ciclónico o ciclón es un separador centrífugo de polvo, de forma cónica en el que el chorro de aire que contiene el polvo entra tangencialmente por la parte superior, gira en forma helicoidal descendente y finalmente asciende por el centro y sale al exterior (figura 26).

Figura 26.–Principio de funcionamiento de un ciclón.

Secado

377

El polvo arrastrado por el aire es lanzado, por la acción de la fuerza centrífuga, contra las paredes del ciclón, donde debido al rozamiento pierde su energía cinética y cae al fondo del mismo, de donde se retira continuamente por medio de dispositivos especiales. La eficiencia de la separación del ciclón depende de muchos factores, tales como el tipo de producto, tipo de proceso y tamaño y parámetros de diseño del ciclón. El ciclón es el separador primario más utilizado. Los separadores tipo saco son filtros de tejido burdo que retienen el polvo. Normalmente se requieren varios filtros de este tipo, en serie o en paralelo, montados en una cabina especial. Los separadores tipo saco pueden ser utilizados como separadores de polvo primarios o secundarios, aunque esta última opción es la más común, especialmente en instalaciones situadas en zonas pobladas, donde se requiere un estricto control de la polución ambiental. En la figura 27 se representa el esquema de una instalación completa de secado por atomización. Por la parte superior de la cámara de secado se introduce el aire caliente producido en el generador y se pulveriza la suspensión del producto a secar. En la parte cónica inferior se recoge la mayor parte del producto seco, mientras que el aire de secado se escapa por la salida lateral. Este aire arrastrará una porción determinada de finos que se separarán y se recuperarán en los ciclones.

Figura 27.–Esquema de una instalación completa de secado por atomización (ICF).

378 Procesos de conservación de alimentos En esta instalación (A) es la entrada de aire ambiente, que se calienta en el generador (1) y (B) es la entrada del producto a atomizar. El aire ya utilizado sale por el punto (C) y el producto seco por (D), (2) es la torre de desecación,(3) el depósito de producto en suspensión o en solución líquida y (4) la bomba de dosificación, (5) la turbina de aspersión, (6) los ciclones separadores y (7) el ventilador principal. El secado por atomización está casi restringido al caso de líquidos, como suspensiones, emulsiones, soluciones coloidales o verdaderas, etc., en este campo es aplicable para una amplia gama de productos, pero no existe un diseño estandarizado común a todos ellos, cada producto se trata individualmente y el secadero se diseña siguiendo las especificaciones del producto en cuestión. Los productos más difíciles de secar por atomización son aquellos en que los sólidos totales contienen poco soporte celulósico o amiláceo y contienen azúcares o componentes que produzcan sólidos higroscópicos Actualmente el 80% de los equipos industriales en uso se dedican a la deshidratación de leche y derivados lácteos, y el 20% restante casi por completo a la deshidratación de café, huevos, tomate y glucosa. 8.4. SECADEROS POR CONDUCCIÓN Este tipo de secaderos se caracterizan porque en ellos la transmisión de calor hasta el producto húmedo tiene lugar por conducción a través de una pared, generalmente metálica, son por lo tanto secaderos indirectos. La fuente de calor puede ser: vapor que condensa, agua caliente, aceites térmicos, gases de combustión y resistencias eléctricas. Los secaderos indirectos permiten la recuperación del disolvente, y son apropiados para la desecación a presiones reducidas y en atmósferas inertes, por lo que se usan para deshidratar productos termolábiles o fácilmente oxidables. 8.4.1. Secaderos de bandejas a vacío Son secaderos indirectos por cargas, formados por una cámara herméticamente cerrada, provista de placas calefactoras y bandejas que soportan el material a secar. La cámara está conectada a una bomba de vacío a través de un condensador. El elemento calefactor suele ser un fluido tal como agua caliente (para bajas temperaturas), vapor de agua o frecuentemente aceites térmicos. En estos casos, las placas que son huecas y están constituidas por una doble lámina de acero, están conectadas en paralelo a colectores de entrada y salida del fluido térmico. En algunos casos se emplean placas calentadas eléctricamente. En el secado a vacío se baja el punto de ebullición del agua por debajo de 100ºC por reducción de la presión (véase Capítulo X). El grado de vacío y la temperatura de secado depende de la sensibilidad del material.

Secado

379

El producto a secar se dispone sobre bandejas metálicas que se colocan sobre la superficie calefactora. El calor se transmite por conducción hasta el producto, que a baja temperatura libera vapores de disolvente debido al elevado grado de vacío que se aplica a la cámara. Los gases húmedos son evacuados continuamente hasta un condensador que elimina la humedad o vapores de disolvente tras condensarlos. Los gases no condensados llegan a la fuente de vacío donde son extraídos. El costo de operación por unidad de superficie en secaderos de bandejas a vacío es ocho veces superior al de un equipo equivalente que trabaje a presión atmosférica. La eficiencia térmica, como en los demás secaderos por conducción, es mayor que en los secaderos por convección. El secado a vacío es uno de los métodos más caros de secado. Sus costes son comparables al secado por congelación pero más altos que con otros sistemas. Dado este elevado coste, los secaderos a vacío se utilizan a menudo como secaderos secundarios. El contenido de agua de los alimentos se reduce hasta un 20-25% por un método convencional, por ejemplo con aire caliente, y después se aplica el vacío para llevar la humedad hasta un 1-3%. El producto se seca a vacío a bajas temperaturas, entre 35 y 60ºC. Los secaderos de bandejas a vacío se utilizan industrialmente para deshidratar productos altamente valiosos, sensibles a la temperatura o fácilmente oxidables o incluso para recuperar disolventes valiosos. 8.4.2. Secaderos de tornillo sinfín Son secaderos continuos de calentamiento indirecto, formados esencialmente por un transportador de tornillo sinfín horizontal encerrado dentro de una carcasa cilíndrica encamisada. El producto, que se alimenta por un extremo, se transporta lentamente a través de la zona caliente y se descarga por el otro extremo. El vapor generado se extrae a través de conducciones colocadas en la parte superior de la carcasa. Estos equipos permiten la construcción modular, y en este caso, el último módulo suele actuar como enfriador. Estos secaderos son útiles para operar con sólidos demasiado finos o demasiado pegajosos para ser tratados en secaderos rotatorios. Están completamente cerrados y permiten recuperar los vapores del disolvente. Si disponen de alimentadores con cierre adecuado, pueden trabajar bajo un vacío moderado. 8.4.3. Secaderos de rodillos En los secaderos de rodillos el producto se seca sobre la superficie de un rodillo giratorio calentado interiormente. Para que pueda utilizarse este método

380 Procesos de conservación de alimentos el alimento debe ser líquido o semilíquido. El producto se extiende en forma de capa fina sobre la superficie del cilindro horizontal que gira lentamente, y la eliminación del agua tiene lugar en el curso de aproximadamente 300º de una revolución. El cilindro se calienta interiormente con vapor de agua a presión, o bien con menos frecuencia, con agua caliente u otro líquido transmisor de calor. El producto seco se separa en forma de película continua por medio de una cuchilla que rasca longitudinalmente la superficie del cilindro (figura 28).

Figura 28.–Principio de funcionamiento de un secadero de rodillos.

Fundamentalmente existen tres tipos de aparatos, de acuerdo con la disposición de los cilindros: cilindro sencillo, cilindros dobles y cilindros gemelos. El secadero de cilindro sencillo está formado, lógicamente, por un sólo rodillo. El de cilindro doble está constituido por dos rodillos, que giran acercándose en su parte superior. En este equipo se ajusta cuidadosamente la separación entre los rodillos para controlar el espesor del alimento depositado. Los cilindros gemelos ocupan una disposición general similar a la de los cilindros dobles, sin embargo su sentido de giro es contrario al de éstos (figura 29). En general, estos equipos van provistos de campanas extractoras para recoger y evacuar el vapor de agua. El equipo entero puede trabajar a vacío si se le dota de una envoltura adecuada, y puede trabajar así en el secado de productos termolábiles.

Secado

381

Figura 29.–Secadero de cilindros dobles y de cilindros gemelos.

Sistemas de alimentación El cilindro sencillo se alimenta, normalmente, por su parte inferior. En su forma más sencilla, el rodillo de secado está parcialmente sumergido en una cubeta que contiene el líquido. Para asegurar la máxima uniformidad se somete al producto, mientras se encuentra en la cubeta, a una agitación continua. Si el producto no puede soportar una exposición prolongada a temperaturas altas (el rodillo calienta el producto que se encuentra en la cubeta), se alimenta esta primera cubeta desde otra, con una recirculación constante.

Figura 30.–Sistemas de alimentación de los rodillos.

382 Procesos de conservación de alimentos Cuando la película depositada por este sistema no es satisfactoria, se recurre a la utilización de un rodillo satélite, longitudinal con el principal, que se sumerge en la cubeta del líquido. En el caso de cilindro doble, los sistemas de alimentación son de diseño sencillo, ya que normalmente utilizan la tolva determinada por la parte superior de ambos rodillos. Para líquidos viscosos o que contienen cantidades notables de sólidos en suspensión, se recurre a la agitación del producto. En el caso de cilindros gemelos, la alimentación se verifica por inmersión de los rodillos en cubetas de líquidos o bien a través de rodillos satélites. En cualquier caso, el requisito fundamental para una buena alimentación estriba en la obtención de un lecho de producto de espesor uniforme y de profundidad definida para cada producto, ya que las capas demasiado finas sufrirán un sobrecalentamiento y las demasiado gruesas no se secarán completamente. Generalmente, los cilindros de estos secaderos están construidos en bronce o acero de un espesor de varios centímetros, con el fin de resistir la presión del vapor de calefacción. El exterior puede ser cromado o no, raramente se fabrican en acero inoxidable. Las dimensiones de los cilindros son variables, sin embargo su relación longitud/diámetro está limitada por la deformación de los cilindros. La relación óptima es de 2 a 3. El diámetro de los cilindros varía entre 30 y 200 cm y la superficie de evaporación de 2 a 36 m2. Actualmente se emplean en la preparación de puré de patatas en escamas, pulpa de tomate y otras frutas y en la fabricación de cereales para desayuno.

Figura 31.–Secadero de rodillos G.M.F. Gouda.

Secado

383

8.5. OTROS MÉTODOS DE SECADO 8.5.1. Secaderos Foam Mat Este tipo de secaderos puede utilizarse únicamente en alimentos líquidos que sean capaces de formar espuma estabilizada. Este requerimiento impone una restricción sobre la amplia aplicabilidad del método en la industria de alimentos, puesto que sólo unos pocos productos, tal como la leche entera, tienen capacidad para formar espumas estables. Los zumos de frutas se han secado por este sistema, pero añadiéndoles estabilizadores de espuma. Se han utilizado con éxito en la industria alimentaria, gomas vegetales y proteínas solubles como agentes estabilizadores de espuma; en el secado de frutas y hortalizas se utilizan como componentes formadores del film gliceril monostearato, proteína solubilizada de soja y propilenglicol monostearato. En primer lugar se hace espuma en el alimento líquido y después se pulveriza formando una lámina sobre un soporte perforado o sólido donde se seca por medio de una corriente de aire caliente. La formación de espuma se consigue por agitación del producto fluido por medio de aire. El espesor de la capa de espuma se mantiene alrededor de 0,1-0,5 mm. El tiempo de secado y la temperatura depende del producto a secar, la velocidad y la humedad del aire no tienen efecto apreciable sobre el tiempo requerido. 8.5.2. Secado por explosión (Explosion puffing) La técnica de secado por explosión fue desarrollada inicialmente para satisfacer el objetivo de deshidratar piezas relativamente grandes de frutas y hortalizas que se deseaba reconstituir rápidamente, el sistema puede operar a costes comparables a los convencionales por aire caliente. El método consiste en una deshidratación parcial inicial, necesaria para reducir el contenido de humedad a un nivel que se produzca la desintegración del producto durante la fase de explosión. Dado que la uniformidad es esencial para obtener buenos resultados, se equilibra la humedad después de este secado parcial. Posteriormente, el producto se introduce en una cámara donde se expone a vapor a presión entre 0,7 y 4,9 bar, con lo cual se aumenta la temperatura rápidamente y el agua que contiene el producto, que se mantienen líquida, está en situación de sobrecalentamiento con respecto a la presión atmosférica. Cuando el producto se descarga de forma repentina a la atmósfera, la rápida caída de presión provoca la evaporación del agua del interior del mismo. El vapor que sale del alimento produce canales y fisuras, con lo cual le proporciona una estructura porosa. 8.5.3. Secado por microondas En el secado por microondas el producto se expone a ondas electromagnéticas de alta frecuencia. La transferencia de estas ondas al producto es similar a

384 Procesos de conservación de alimentos la transferencia de calor radiante. Como resultado de estas ondas de alta frecuencia, las moléculas de agua se polarizan y tienden a cambiar de orientación. En el proceso de orientación, se genera suficiente calor para expeler la humedad del producto. Los generadores de microondas que se diseñan para secado trabajan a frecuencias de 900-2.500 Mhz. Cuando la frecuencia aumenta, el calor generado por el sistema disminuye. El uso de este tipo de energía ha encontrado su aplicación en el acabado del secado de patatas chips. Puede reducir el tiempo de secado, particularmente cuando el tamaño de la pieza es tal que no es posible el secado convencional. Sin embargo el alto coste por unidad de energía comparado con la energía convencional y el alto coste inicial del equipo limita su uso para el secado. 8.5.4. Deshidratación osmótica Entre los alimentos presentes en el mercado hay un grupo de productos que se parecen a los alimentos deshidratados por su estabilidad microbiana, pero que no se pueden clasificar como alimentos deshidratados. Su contenido de humedad es alto por lo que el alimento es plástico y correoso. Ciruelas, higos y uvas, frutas confitadas y embutidos curados son buenos ejemplos de este tipo de alimentos. Estos alimentos contienen de 20 a 50% de agua y se les llama alimentos de humedad intermedia. Son estables microbiológicamente, pero son susceptibles de cambios químicos, sufren el pardeamiento no enzimático, reacción de Maillard, en mayor proporción que el producto seco. Los parámetros del proceso aplicados no desnaturalizan las proteínas, por lo tanto puede desarrollarse alguna actividad enzimática. La estabilidad microbiológica de los alimentos de humedad intermedia se debe a la suficientemente baja actividad de agua del alimento. Esta reducida actividad de agua puede conseguirse de dos formas, por adición de humectantes o por eliminación del solvente (por ejemplo, agua). El primer método es menos aceptado por los consumidores puesto que requiere la adición al alimento de grandes cantidades de cloruro sódico, azúcares o polioles. El segundo método es costoso energéticamente. El uso de la ósmosis permite utilizar simultáneamente los dos métodos de reducción de la actividad de agua en los alimentos. La permeabilidad de los tejidos de las plantas a los azúcares y compuestos de alto peso molecular es baja, por lo que el producto se impregna con sustancias osmoactivas únicamente en las capas superficiales. El agua es eliminada por ósmosis y el jugo celular se concentra sin fase de transición del solvente. Esto hace favorable el proceso desde el punto de vista energético. El flujo de agua es mucho mayor que el flujo a contracorriente de la sustancia osmoactiva. Por esta razón a este proceso se le llama deshidratación osmótica.

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Los alimentos obtenidos por este método presentan varias ventajas: • Están listos para comer, no requieren rehidratación. • La cantidad de sustancia osmoactiva que penetra en el tejido puede ajustarse a requerimientos individuales. • La composición química del alimento se puede regular de acuerdo a las necesidades. • La masa de materia prima se reduce, usualmente a la mitad. La deshidratación osmótica no reduce suficientemente la actividad de agua para impedir la proliferación de los microorganismos. El proceso aumenta, en cierta forma, la vida útil del alimento, pero no lo preserva. Por esta razón, es necesaria la aplicación de otros métodos de conservación, tales como congelación, pasterización o deshidratación. Sin embargo, el procesado de los semiproductos deshidratados osmóticamente es menos caro y preserva mejor las características adquiridas durante la ósmosis. Las sustancias osmóticas utilizadas deben cumplir una serie de requerimientos especiales, deben ser comestibles con sabor y flavor aceptables, no tóxicas, inertes frente a los componentes del alimento, y si es posible altamente activas osmóticamente. En la deshidratación osmótica de frutas y hortalizas se han utilizado sacarosa, lactosa, glucosa, fructosa, maltodextrinas y almidón o jarabe de maíz, también se ha estudiado el empleo de miel, glicerol, hidrocoloides de plantas y cloruro sódico. Las soluciones de azúcar se utilizan principalmente para la deshidratación de frutas, siendo la sacarosa el azúcar usado con más frecuencia, aunque puede ser sustituido por la lactosa, la glucosa y fructosa que presentan un efecto similar de deshidratación. Glicerol, jarabe de almidón y cloruro sódico son las utilizadas en el tratamiento de hortalizas. Se ha comprobado que la adición de sustancias de bajo peso molecular tales como cloruro sódico, ácido málico, ácido láctico y ácido clorhídrico en concentración de 1 a 5% a soluciones de azúcar o de jarabe de almidón mejora el proceso de deshidratación osmótica. En general favorecen la salida del agua del alimento. Se adiciona cloruro cálcico y ácido málico a soluciones de sacarosa para mejorar la textura de manzanas tratadas por ósmosis. La deshidratación osmótica es un proceso complejo de transferencia de masa en contracorriente entre los tejidos de las plantas y la solución hipertónica. Esto lleva a la deshidratación del producto y también a cambios en su composición química, por lo tanto, las propiedades del alimento así deshidratado diferirán substancialmente del producto secado por convección. 8.6. LIOFILIZACIÓN Llamada anteriormente crio-desecación, la liofilización, cuyo nombre procede de la industria farmacéutica, es un proceso de secado cuyo principio consiste en sublimar el hielo de un producto congelado. El agua del producto pasa, por tanto, directamente del estado sólido al estado de vapor, sin pasar por el estado líquido.

386 Procesos de conservación de alimentos La liofilización presenta una serie de ventajas frente a otras técnicas de secado, en particular la estructura original del alimento se mantiene mejor y la retención de aromas y nutrientes es excelente. La textura es aceptable, especialmente con vegetales. Los productos liofilizados presentan una mayor calidad que los mismos productos deshidratados por otros métodos. Los alimentos liofilizados pueden ser almacenados a temperatura ambiente durante largos periodos y su rehidratación es fácil. Sin embargo, los costes de la liofilización son usualmente prohibitivos para aplicaciones ordinarias: son aproximadamente el doble que en el secado en cinta a vacío y casi cinco veces los de la atomización. La liofilización es un proceso caro, tanto en términos de inversión como en costes de operación y también en tiempo de proceso. No obstante dichos costes pueden ser asumidos por la ventaja que supone la alta calidad de los productos obtenidos. La liofilización se aplica por tanto únicamente a productos de precio alto. Su uso está prácticamente restringido a te y café instantáneos, usos militares, montañismo, etc. Es típico el café liofilizado, para el que se utilizan sólo variedades aromáticas, que no soportan tratamientos enérgicos como los que se dan en la atomización. El café atomizado procede de variedades sin aroma. También se liofilizan productos como los champiñones destinados a las sopas deshidratadas, o bien frutas como las fresas, blandas y frágiles y con colores y sabores delicados. Las fresas deshidratadas por cualquier otro procedimiento, cuando se reconstituyen tienen la apariencia de una mermelada. La liofilización presenta una serie de ventajas, entre las cuales se citan las siguientes: • La temperatura de trabajo es muy baja y por lo tanto los productos termolábiles no se alteran. • No existe peligro de oxidación. • No hay agua libre, por tanto no hay peligro de hidrólisis ni de crecimiento microbiano. • Al evaporarse el hielo, quedan poros que permiten una rehidratación o reconstitución rápida. • La humedad residual es baja. • La duración de la conservación es larga. • La retención de aromas es muy alta. • Son productos de peso ligero que no necesitan cadenas de refrigeración para su distribución. Pero también presenta algunos inconvenientes: • Gran inversión en equipamiento (alrededor de tres veces el de los otros métodos). • Altos costes de energía (también alrededor de tres veces el de los otros métodos). • Proceso lento y largo (entre 4 y 10 horas por ciclo de secado). • Posibles daños a productos, debido al cambio de pH que se produce cuando se concentran los solutos, como consecuencia de que el agua pura se convierte en hielo.

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387

La liofilización es útil cuando se cumplen en el producto uno o más de los siguientes requisitos: • Es inestable. • Es sensible al calor. • Cuando se requiere una rápida y completa rehidratación. • Presenta un valor alto. • Debe minimizarse su peso. • No es aconsejable su almacenamiento en refrigeración o en congelación. 8.6.1. Fundamentos de la liofilización La sublimación sólo puede conseguirse si la temperatura y la presión parcial de vapor del agua (hielo) son inferiores a las del punto triple del agua. En la gráfica 10 en la que se representa la presión de vapor del agua en función de su temperatura, se puede apreciar que el punto triple del agua se sitúa a la presión de 610 Pascal (4,58 Torr ≈ 4,58 mm de Hg), para una temperatura de 0,01ºC.

Gráfica 10.–Diagrama de fases del agua. Punto triple del agua.

Estos valores corresponden al agua pura, pero en los alimentos no existe agua pura, sino disoluciones más o menos concentradas de sólidos en agua, en consecuencia el punto triple se desplaza hacia temperaturas más bajas, según la concentración de estos sólidos (gráfica 11). El proceso de liofilización se desarrolla en tres fases: 1. La fase de precongelación hasta la temperatura en la que el material está completamente sólido, que será inferior a 0ºC.

388 Procesos de conservación de alimentos

Gráfica 11.–Desplazamiento del punto triple en función de la concentración de sólidos.

2. La fase de sublimación propiamente dicha, también llamada “desecación primaria”, en la que se elimina alrededor del 90% del agua, lo que lleva al producto a una humedad del orden del 15%. Se elimina el hielo libre. 3. La fase de “desorción” o “desecación secundaria”, que elimina el 10% de agua ligada restante, con lo que se puede llegar hasta productos de una humedad del 2%. Esta fase consiste en una vaporización a vacío, a una temperatura positiva de 20 a 60ºC. En la gráfica 12 se representa, sobre el diagrama de fases, la comparación de los procesos que tienen lugar en el secado evaporativo y en la liofilización. En el secado evaporativo el agua en el punto A es calentada hasta alcanzar el equilibrio con su presión de vapor en B. En este punto si se suministra la energía correspondiente al calor latente de vaporización, se produce el paso de líquido a vapor. En el secado por liofilización, el agua en el punto A se enfría hasta un punto inferior al de congelación D. Cuando el agua está completamente congelada, se reduce la presión, se hace vacío, hasta el punto E, consiguiendo una presión absoluta inferior a la presión de vapor del hielo. Por último, con el suministro del calor latente de cristalización y evaporación, el hielo se sublima a vapor de agua, a temperatura constante. Como los constituyentes del material están congelados, permanecen inmovilizados durante la sublimación. La forma de la sustancia seca es prácticamente la misma que la de la congelada y se reduce o incluso se elimina la migración de sólidos hacia la superficie. Como el secado por liofilización tiene lugar a baja temperatura, se minimizan los daños por calor y se retienen los componentes volátiles. En la gráfica 13 se muestran los rangos típicos de temperatura para tres métodos de secado.

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Temperatura (°C)

Gráfica 12.–Comparación del secado evaporativo y la liofilización.

Gráfica 13.–Exposición de tiempo y temperatura para tres métodos de secado.

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390 Procesos de conservación de alimentos El secado por atomización requiere exposiciones a temperaturas de más de 100ºC durante periodos de segundos, el secado en horno requiere temperaturas típicas de 60ºC durante periodos de minutos, y la liofilización expone el material a temperaturas por debajo de 0ºC durante periodos de horas. Por otra parte, como los cristales sublimados de hielo dejan cavidades, el material seco contiene miles de intersticios por los que el agua puede penetrar produciendo una rápida y completa rehidratación, cuando sea necesaria. 8.6.2. Ciclo de liofilización La liofilización es una operación esencialmente cíclica, que se desarrolla siguiendo una serie de etapas. Es importante la selección y preparación del alimento antes de su secado por congelación, sólo pueden utilizarse materias primas de calidad. También es importante el almacenamiento del producto liofilizado, antes de su rehidratación y uso. En la figura 32 aparecen las diferentes etapas del proceso, desde la preparación inicial del producto hasta su reconstitución y uso. En las etapas específicas del proceso de liofilización, se indica la variación de la temperatura durante el ciclo típico.

LIOFILIZACIÓN

Temperatura °C Calefactor

Producto

Figura 32.–Etapas del secado por liofilización.

Secado

391

8.6.2.1. Acondicionamiento de la materia prima La liofilización es un proceso caro, con el que se obtienen productos de alto valor añadido, por lo tanto es de importancia fundamental el seleccionar materias primas de calidad y aplicarles unos tratamientos previos adecuados que consigan mantener dicha calidad. Los tratamientos más comunes, antes de liofilizar productos sólidos, son los siguientes: • Selección: debe hacerse una selección cuidadosa, en la que se elimine la materia prima dañada, sobremadura, o con aspecto o color inadecuados. • Limpieza: Eliminación de todos los residuos adheridos, cuerpos extraños, etc. Normalmente se realiza un lavado. • Inactivación de enzimas: para evitar pardeamientos enzimáticos. Puede hacerse por un procedimiento térmico (escaldado) o químico. Entre los sistemas químicos más difundidos están los tratamientos con ácido ascórbico, ácido cítrico y el sulfitado (adición de SO2), que también inhiben las reacciones de pardeamiento no enzimático. • Preparación del producto: se puede hacer un troceado o pinchado del mismo, con lo cual se favorecerá el efecto de la sublimación y la rehidratación posterior. En el caso de productos líquidos: extractos de café, zumos de frutas, etc. será necesario, para reducir el costo del proceso, hacer que la cantidad de agua a eliminar sea mínima, es decir efectuar una preconcentración. 8.6.2.2. Congelación del producto Con el fin de conseguir una estructura porosa en los alimentos secados por liofilización, se deben formar antes del secado muchos cristales pequeños. En una situación ideal, el producto debe ser congelado hasta la condición de concentración-congelación máxima, T’g .En este punto, se ha formado la mayor fase de volumen de hielo y el material que permanece sin congelar tiene el contenido de agua más bajo posible, W’g (véase Capítulo XI). En este caso, se puede eliminar por sublimación la mayor cantidad de agua. La red de cristales de hielo formada durante la congelación es importante para los pasos siguientes de desecación primaria y secundaria. En alimentos líquidos, la red de cristales de hielo formada depende de la tecnología de congelación empleada. Los congeladores estáticos dan lugar a cristales grandes que contactan unos con otros en varios puntos. Con la sublimación, esto lleva a una red de canales porosos a través de los cuales se puede difundir fácilmente el vapor de agua. En los alimentos sólidos con una estructura celular o de gel, los cristales individuales están separados unos de otros y no se forman redes porosas. En este caso, el vapor de agua puede ser difundido a través de la estructura sólida del alimento y el secado es significativamente más largo. Sin embargo, si la congelación es demasiado rápida se pueden producir tensiones que dan lugar

392 Procesos de conservación de alimentos a grietas, esto abre canales en el alimento seco, para la difusión del vapor, pero influye negativamente sobre las características del producto final. En consecuencia, la congelación es una parte importante de la liofilización, puesto que afecta al desarrollo de las fases siguientes e influye sobre la calidad final del producto. La congelación se puede realizar en el interior de la cámara de liofilización o bien en el exterior. Si se realiza en el interior se produce una congelación evaporativa, que consiste en una evaporación brusca y adiabática, de aproximadamente un 20% del agua del producto. El calor que toma este agua para la evaporación, es el responsable de la congelación del resto del producto. Este método se utiliza para productos de alta superficie específica y alta humedad. La congelación, también, puede producirse en el exterior, por cualquier método de congelación: • Convección forzada, para hortalizas, carnes y pescado. • Lecho fluidizado, para hortalizas de pequeño tamaño. • Por conducción en cilindros rotatorios, para alimentos líquidos: zumos de frutas, extracto de café o te, etc. • Criogénica por N2 líquido, para mariscos fundamentalmente. La congelación debe ser completa, toda el agua presente en el producto debe estar congelada, puesto que de lo contrario no existiría liofilización, sino evaporación a vacío. 8.6.2.3. Sublimación (desecación primaria) Una vez congelado el producto, se pasa a la cámara donde tendrá lugar el proceso de sublimación del agua. Es decir, después de la formación de los cristales, se produce una sublimación del hielo formado, controlando el nivel de vacío en el liofilizador y con un cuidadoso aporte de calor. Es necesario un vacío elevado (baja presión absoluta) en el liofilizador para favorecer la sublimación, cuando la presión de vapor sobre el hielo disminuye, lo hace también la temperatura y son necesarias presiones bajas para que se sublime el hielo. Normalmente se requieren presiones de alrededor de 130-260 Pa para la liofilización de los alimentos. La sublimación es un cambio de estado endotérmico, es necesario aportar el calor latente de sublimación (2840 kJ por kg de hielo sublimado), por lo tanto en la cámara de secado deberá montarse una fuente de calor. Este calor debe aplicarse cuidadosamente para no llevar la temperatura del producto por encima del punto de fusión. Es, como cualquier otro procedimiento de eliminación de agua por vía térmica, un proceso de transferencia de calor y de transferencia de masa. Durante la fase de desecación primaria del secado por congelación, el hielo retrocede en el alimento mientras tiene lugar el secado. El límite entre el producto congelado y el seco se llama frente de sublimación, que probablemente está mejor representado por una zona difusa de transición entre el alimento congelado y deshidratado (gráfica 14). Independientemente de la naturaleza

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exacta de este frente de sublimación, el calor debe ser transferido desde el producto hacia este frente para promover la sublimación, y el vapor de agua debe ser eliminado por transferencia de masa a través del producto seco. Como no puede ser congelada toda el agua de los alimentos, la desecación primaria sólo reduce el contenido de humedad hasta un cierto nivel, dado por la intersección de las líneas de depresión del punto de congelación y la transición vítrea en W’g y T’g (véase Capítulo XI). Este valor depende de la composición del alimento. Con frecuencia, el contenido de agua de los alimentos secados por liofilización se puede reducir sólo hasta el 15-20% en esta primera fase de eliminación de agua en forma de hielo. La humedad residual que permanece descongelada debido a la elevada viscosidad del producto por debajo de T’g debe ser eliminada en la fase de desecación secundaria. El tiempo típico de la desecación primaria para un espesor de 10 mm de un material simple es de alrededor de 6 horas, con una estructura favorable de los cristales de hielo y unas condiciones óptimas de temperatura y presión en la cámara de secado. Las cantidades de vapor que escapan de un área de superficie de 1 m2 están con frecuencia entre 3 y 8 kg.h–1, dependiendo del material y de su preparación. La variación aproximada del tiempo de secado con el espesor es tiempo = K (espesor)1,5 donde K es una constante. A medida que se completa la desecación primaria, se necesita menos energía para la sublimación y la temperatura del material va aproximándose a la de la fuente de calor. Frente Wi

Hielo

Producto seco

Contenido de humedad

Wf

Gráfica 14.–Gradientes probables de humedad en el frente de sublimación durante la liofilización.

394 Procesos de conservación de alimentos 8.6.2.4. Desorción (desecación secundaria) Es la eliminación del agua ligada, que puede ser agua de cristalización, agua dispersada al azar en un material vítreo, agua intracelular o agua absorbida. Cuando el agua que estaba en forma de hielo se ha eliminado por sublimación, aún queda el agua ligada que hay que eliminar. Para eliminar este agua, se realiza una evaporación bajo vacío, manteniendo la misma presión, o menor, que durante la desecación primaria y elevando la temperatura del producto hasta 20-60ºC según la naturaleza del alimento. Es muy crítico el control cuidadoso del aporte de calor en esta desecación secundaria, de forma que la temperatura del alimento no se incremente hasta el punto en que el producto llegue a ser inestable. Generalmente este aporte de calor se hace en el fondo del producto por conducción y en la parte superior por radiación. Hay que tener en cuenta que cuando la superficie del producto entra en la fase de desecación secundaria, en el centro del alimento todavía se está produciendo sublimación de hielo, en la primera fase de desecación primaria. Este efecto depende de la geometría del producto y de la transferencia de calor y de masa durante la liofilización. Durante la fase de desecación secundaria pueden producirse varios cambios. Una adición rápida de calor hace que la temperatura del producto exceda su temperatura de colapso, que de una forma aproximada se define como el punto en que el producto se hace suficientemente fluido y se “colapsa”. Durante el colapso, las bolsas donde se han sublimado los cristales de hielo desaparecen porque el alimento fluye lentamente hacia estas regiones. Esto tiene como consecuencia que el producto deshidratado presente una densidad alta y reduce su capacidad de rehidratación por adición de agua. En la tabla 3 se recogen las temperaturas de colapso, con frecuencia indicadas por T’g, de algunos alimentos. Tabla 3. Temperaturas de colapso de algunos alimentos (Fennema, 1996) Alimento

Zumos de frutas Fresa Manzana Tomate Maíz dulce Patata Helado (vainilla) Queso Cheddar Pescado Carne de vacuno

Temperatura de colapsoa ºC

–37 a –43 –33 a –41 –41 a –42 –41 –8 a –15 –12 –31 a –33 –24 –6 a –12 –12

a Temperatura de colapso aproximadamente igual a T’g, temperatura de concentración por congelación máxima.

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395

Para optimizar el secado por liofilización, deben elegirse las condiciones del proceso de forma que se siga la trayectoria de secado indicada en la gráfica 15. El proceso comienza en el punto A, se congela en el punto B, el hielo se elimina por sublimación en el punto C y el producto se seca hasta el punto D. La congelación debe producir la máxima cantidad de hielo y la temperatura durante la fase de desecación primaria debe permanecer por debajo de la temperatura de colapso. Durante la fase de deshidratación secundaria, la temperatura, y el contenido de humedad, deben mantenerse de acuerdo con el diagrama de estado, de forma que la temperatura permanezca justo por bajo de la temperatura de transición vítrea, para el contenido de humedad y el tiempo de proceso. Si la temperatura excede la de transición vítrea, el producto experimenta probablemente el colapso. Si se produce el colapso durante la liofilización, la temperatura y la presión dentro de la cámara deben reducirse para disminuir la temperatura del producto por bajo de la temperatura de colapso. El tiempo requerido para la desecación secundaria viene determinado por la estructura del producto liofilizado, puesto que el secado se produce sólo por difusión de las moléculas de agua a través del producto. Los productos que son suficientemente sólidos, y no tienen canales entre los poros de hielo, secan len-

Gráfica 15.–Trayectoria para optimizar el proceso de secado por liofilización sobre un diagrama de estado.

396 Procesos de conservación de alimentos tamente dado que el agua debe difundirse a través del alimento entero para alcanzar la superficie. Cuando existen estos canales entre los poros de hielo, el transporte de humedad es más rápido. Las moléculas de agua vaporizadas migran por difusión del vapor a través de la red de poros de los cristales de hielo. El punto final de la liofilización no siempre es obvio. Normalmente, el contenido de humedad durante el secado por congelación se reduce hasta alrededor del 2%, pero es difícil realizar la medida durante el proceso. Además, hay un gradiente de humedad en el producto durante el secado, las zonas superficiales tienen una humedad menor que las regiones internas. El final de la liofilización se puede indicar por medidas de la temperatura dentro del producto o por medidas de peso. La medida de la temperatura en un punto específico del producto, da una estimación del contenido de humedad en ese punto, aunque es necesario conocer previamente la relación entre la temperatura y el contenido de humedad. 8.6.2.5. Almacenamiento después del secado El contenido residual de humedad del material seco es un factor crítico que afecta a su vida durante el almacenamiento. Muchos materiales liofilizados son higroscópicos por lo que deben envasarse en condiciones de mínima humedad, y además pueden ser sensibles a la oxidación. Por lo tanto, los productos liofilizados se deben envasar manteniendo el vacío o romperlo en atmósfera de nitrógeno o de anhídrido carbónico secos. En este último caso, tanto el transporte a la envasadora como el pesado y el propio envasado, debe hacerse en atmósfera de gas protector. Los envases utilizados deben cumplir las mismas exigencias que los utilizados para los demás productos deshidratados: ser impermeables al vapor de agua y al oxígeno y proteger al producto frente a daños mecánicos. 8.6.2.6. Rehidratación y uso El método de rehidratación afecta a la calidad final percibida de algunos alimentos, especialmente carnes crudas, que pueden requerir la adición de algún ablandador enzimático. 8.6.3. Transferencia de calor y transferencia de masa Los perfiles de temperatura y humedad dentro del alimento durante la liofilización dependen de los coeficientes de transmisión de calor y de masa. El calor debe transferirse desde el producto al frente de sublimación, que es la línea que indica el límite entre el producto congelado y el producto seco. Dependiendo de la fuente de calor, la transferencia de calor puede tener lugar a través de la capa congelada, a través de la capa deshidratada o a través de

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ambas. Cuando se produce la sublimación del hielo, el vapor de agua toma el camino hacia la superficie por algún mecanismo de transferencia de masa, lo cual depende, como se ha indicado antes, de la estructura del producto deshidratado por congelación. Una de las formas más comunes de realizar la liofilización es colocar el alimento, sea líquido o sólido, sobre una bandeja a través de la cual se transfiere el calor. Para suplementar la transferencia de calor, se coloca a menudo una fuente de radiación sobre el producto, en una disposición similar a la indicada en la figura 33. De esta forma, la transferencia de calor se produce a través de la capa congelada por conducción desde la placa hacia el fondo del alimento y por radiación en la parte superior, como se ha indicado antes. El calor debe entonces ser conducido a través de la capa deshidratada hacia el frente de sublimación. La transferencia de masa se produce desde el frente de sublimación, a través del producto seco, hacia la superficie donde el vapor es eliminado por el vacío. La estructura del producto seco determina, en gran medida, la cantidad de humedad transferida durante la liofilización. La estimación de los tiempos de secado durante la liofilización se ha basado sobre predicciones de los coeficientes de transmisión de calor y de masa bajo condiciones simplificadas, sin embargo a pesar de todo, las ecuaciones de estas estimaciones son muy complejas.

Figura 33.–Distribución de un liofilizador que utiliza transmisión de calor por conducción y por radiación.

398 Procesos de conservación de alimentos 8.6.4. Equipos de liofilización El liofilizador más simple podría estar constituido por una cámara de vacío en la cual se coloca el material frío, y un sistema para eliminar el vapor de agua, a medida que se produce la congelación por enfriamiento evaporativo y así mantener la presión de vapor de agua por debajo de la presión del punto triple. La temperatura del material puede continuar disminuyendo por debajo del punto de congelación y la sublimación podría retrasarse hasta que la ganancia de calor por conducción o radiación sea igual a la proporción de calor perdido a medida que se subliman más moléculas energéticas y se eliminan. Sin una aplicación de calor el proceso podría eventualmente detenerse. Por lo tanto, el liofilizador deberá incluir, además de un equipo para producir vacío, un sistema de calentamiento del producto y un condensador frigorífico para convertir en hielo el vapor producido. A las presiones a las que se trabaja en la liofilización, el vapor de agua tiene un volumen específico muy elevado; a estas presiones y a –25ºC, el volumen específico del vapor de agua es de 2.000 m3.kg–1. Las bombas de vacío no pueden vehicular estos volúmenes en los tiempos que debe durar el proceso, por lo que es indispensable montar una trampa de hielo para eliminar el vapor, antes de que llegue a la bomba de vacío. Esto se consigue montando un evaporador frigorífico de forma que el vapor se convierta en hielo al ponerse en contacto con su superficie fría. Normalmente, para la producción de vacío se utilizan dos bombas, una capaz de evacuar un caudal elevado (bomba de lóbulos), que no llegará a conseguir el vacío previsto, para ello se utiliza una bomba adicional de menor caudal (bomba rotativa), pero de mayor capacidad de vacío. La duración de la puesta en vacío viene a ser de unos 10-15 minutos. También se puede producir el vacío con un eyector de vapor, en este caso no será necesaria la utilización de la trampa de hielo. El calor que proporciona la energía para la sublimación puede ser transportado, como se ha dicho, por conducción o radiación. La necesidad de evitar la fusión significa que el gradiente térmico debe ser pequeño. Cuando el calentamiento se realiza por conducción, el producto se coloca entre dos placas, por el interior de las cuales circula un fluido caliente, o se dispone en su interior unas resistencias eléctricas para su calentamiento. El calentamiento por radiación puede realizarse por infrarrojos. En el caso de que el calentamiento de las placas se realice por medio de un fluido caliente, puede montarse un circuito alternativo, para utilizar estas mismas placas como congelador en la segunda fase del tratamiento, haciendo circular por ellas un fluido a la temperatura adecuada. Para producciones de pequeña y mediana escala se utilizan liofilizadores discontinuos, mientras que para producciones mayores se trabaja en continuo. Los liofilizadores discontinuos generalmente constan de una cámara cilíndrica horizontal, en el interior de esta cámara se instalan una serie de estantes

Secado

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sobre los cuales se colocan las bandejas con el producto, los estantes proporcionan la energía calorífica por conducción. Si embargo, es más frecuente que las bandejas de producto se monten sobre una “conducción” movible, que puede ser empujada al interior de la cámara, de forma que quedan entre placas horizontales de calentamiento, que proporcionan la energía por radiación y convección. Para las operaciones continuas las bandejas de producto se introducen por una pequeña cámara auxiliar de entrada que debe ser aislada de la cámara principal y aireada separadamente para proceder a la inserción de las bandejas. A través de la válvula de aislamiento el producto entra en la cámara principal, después del secado las bandejas se extraen por el procedimiento inverso. Para plantas pequeñas el desescarche del condensador de hielo se lleva a cabo después de la aireación y descarga. El condensado fluye con el agua precalentada. El hielo se funde completamente después de aproximadamente 10 minutos y se drena el agua. El flujo de agua es ideal para pequeños sistemas, suponiendo costes mínimos de inversión y un deshielo simple. Un sistema de este tipo aparece en la figura 34.

Figura 34.–Condensador de hielo para un liofilizador discontinuo.

La operación continua requiere que el equipo no se detenga para el desescarche cuando el condensador de hielo esté lleno. En este caso se instalan dos o más condensadores de hielo en compartimentos separados de forma que uno pueda ser aislado y desescarchado mientras que el otro continua condensando vapor de agua.

CAPÍTULO DECIMOTERCERO

Concentración 1. TÉCNICAS DE CONCENTRACIÓN La concentración de alimentos líquidos es una operación muy importante de los procesos de la industria alimentaria. La concentración se diferencia de la deshidratación en el contenido final de agua y en las características de los productos obtenidos. Generalmente los alimentos que se concentran permanecen en estado líquido, mientras que el secado produce alimentos sólidos o semisólidos, con un contenido de agua significativamente más bajo. Los alimentos se concentran para proporcionarles un aumento de la vida útil y/o incrementar su valor. Además, la concentración permite una reducción de los costes de transporte, cuando el producto final se obtiene por restitución del agua hasta su nivel inicial. Aunque existen muchas formas para concentrar líquidos, la evaporación es la técnica más utilizada en el procesado de alimentos. Los desarrollos recientes en los procesos por membrana y por congelación, han llevado a ampliar el uso de estas técnicas, y con las mejoras tecnológicas que aún continúan, se espera que sus aplicaciones se incrementen todavía más. En la tabla 1 se presentan una serie de tecnologías cuya finalidad es la concentración de alimentos líquidos.

2. EVAPORACIÓN 2.1. PRINCIPIOS GENERALES Históricamente, la evaporación ha sido la operación unitaria más importante para la concentración de alimentos líquidos. En este proceso un solvente volátil (normalmente agua) es eliminado por ebullición de un alimento líquido, hasta que su contenido en sólidos alcance la concentración deseada.

402

Procesos de conservación de alimentos Tabla 1. Tecnologías para concentración de alimentos líquidos

Tecnología

Agente de separación

Principio de la separación

Productos

Evaporación

Calor

Diferencia de volatilidad (presión de vapor)

Líquido y vapor

Expansión flash

Reducción de presión

Diferencia de volatilidad (presión de vapor)

Líquido y vapor

Destilación

Calor

Diferencia de volatilidad

Líquido y vapor

Ósmosis inversa

Gradiente de presión Membrana selectiva

Combinación de diferente solubilidad y difusividad de las especies en la membrana

Dos productos líquidos

Ultrafiltración

Gradiente de presión Membrana selectiva

Diferente permeabilidad a través de la membrana

Dos productos líquidos

Diálisis

Membrana selectiva Solvente

Ratios diferentes de transporte difusional a través de membrana

Dos productos líquidos

Electrodiálisis

Membranas iónicas Campo eléctrico

Selectividad de membranas iónicas a especies específicas de iones

Dos productos líquidos

Concentración por congelación

Refrigerante

Cristalización selectiva del agua pura

Líquido concentrado y hielo puro

La evaporación se lleva a cabo suministrando un flujo de calor (generalmente por medio de vapor de agua) para vaporizar parcialmente el disolvente y obtener una solución final con el grado de concentración deseado. Los requisitos para conseguir una evaporación óptima incluyen: 1. Transferencia de calor adecuada. La velocidad en la transferencia de calor determina el tiempo requerido para conseguir una buena evaporación. La transmisión de calor en la evaporación depende de factores tales como el tipo de alimento a concentrar (propiedades físicas), el tipo de evaporador utilizado (eficiencia de diseño) y el tamaño de la superficie de transmisión de calor.

Concentración

403

2. Eficiencia de la separación vapor-líquido. La separación del vapor en ebullición, del líquido es crucial para la eficiencia del diseño del evaporador. 3. Uso eficiente de la energía. El evaporador debe hacer un perfecto uso del calor disponible y de las fuentes de energía. Esto se consigue usualmente por medios tales como la recuperación del calor residual para precalentar el producto; evaporación multiefecto, donde los vapores que se producen en un efecto se utilizan para calentar otro, y recompresión térmica, para incrementar el contenido de energía de los vapores producidos durante la evaporación. 4. Tratamiento del producto. Los alimentos plantean a los evaporadores ciertos problemas específicos, que deben resolverse para asegurar una concentración óptima. Por ejemplo, la necesidad de una operación higiénica exige un diseño adecuado y ciertos requisitos en los materiales de construcción. Además, la sensibilidad al calor de muchos productos plantea restricciones de temperatura y de tiempo de permanencia en el evaporador. La evaporación es una operación ampliamente utilizada en la industria de alimentos. Sus principales aplicaciones son: • Frutas. Los concentrados de frutas se preparan por evaporación a baja temperatura, para proporcionar estabilidad al producto (mermeladas y jaleas) así como para reducir el volumen en el almacenamiento y en el transporte (zumos concentrados). • Productos lácteos. Se realiza una evaporación de los productos lácteos líquidos, antes del secado por atomización, para obtener productos en polvo, con lo cual se minimizan los costes energéticos del proceso de secado. Se utiliza también para producir concentrados para múltiples aplicaciones. • Refinado de azúcar y sal. El azúcar refinado de remolacha o de caña, se obtiene por extracción del azúcar con agua caliente, evaporación de parte de este agua hasta conseguir un jarabe concentrado, y después, por medio de una evaporación controlada, se genera la supersaturación necesaria para el proceso de cristalización. • Caramelos duros. Los jarabes de azúcar se concentran por medio la eliminación por ebullición del exceso de agua, hasta un contenido muy alto de sólidos. • Hortalizas. El agua de los zumos de algunas hortalizas se elimina para obtener productos de textura especial, tales como purés y pastas. La evaporación presenta varias ventajas sobre la concentración por congelación y los procesos por membrana. Las plantas modernas de evaporación son muy efectivas en la utilización de pequeñas cantidades de vapor para producir una elevada eliminación de agua. Técnicas tales como la evaporación de múltiple efecto y la recompresión térmica reducen de forma importante el vapor

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Procesos de conservación de alimentos

requerido para conseguir un grado determinado de concentración. Una segunda ventaja de la evaporación es el grado de concentración que se puede alcanzar. La evaporación con frecuencia supera concentraciones de 80-85% de sólidos, mientras que los procesos de membrana y la concentración por congelación están limitados, por efectos de transferencia de masa, a niveles de concentración mucho más bajos. 2.1.1. Vaporización La vaporización es un fenómeno natural de cambio de fase de un líquido a vapor. Si un recinto cerrado, térmicamente aislado, se llena parcialmente con un líquido y se evacua el aire existente, el líquido comenzará a evaporarse ocupando el espacio del que se ha eliminado el aire y desarrollando por tanto una presión. Llegará un momento en que se alcanzará la saturación en dicho espacio y comenzarán a condensarse algunas de las moléculas vaporizadas. Se habrá alcanzado entonces una condición de equilibrio en el cual la presión de vapor será constante para una temperatura dada y la evaporación neta será cero. Sin embargo, si se evacua el vapor del recinto y las moléculas que abandonan el líquido son eliminadas continuamente, no pudiendo volver a incorporarse a la capa de líquido, la evaporación continuará, aunque cada vez a menor ritmo puesto que la temperatura del líquido bajará como resultado de la evaporación. Ahora bien, si se transmite calor al citado recinto para mantener el líquido a la temperatura de ebullición, se conseguirá mantener la velocidad de evaporación a un nivel alto. Así pues, para que la evaporación se desarrolle de forma continua se requieren dos condiciones: 1. que se suministre el calor necesario para la vaporización del líquido y 2. que se eliminen continuamente las moléculas de líquido que escapan a través de la capa límite. Un evaporador es, por tanto, un aparato en el que se evapora el disolvente de un producto líquido diluido, para conseguir otro líquido más concentrado. El producto que alimenta al evaporador puede ser una solución o una emulsión de materiales sólidos en un líquido. El calor necesario para esta vaporización se consigue por condensación de vapor contra una superficie metálica. Por lo tanto, la operación de evaporación básicamente implica transferencia de energía (calor para la vaporización y la condensación), transferencia de masa (eliminación del disolvente) y flujo de fluidos (alimentación y flujo de vapor). El fluido caloportador que, como se ha dicho generalmente es vapor de agua, se llama vapor primario, cede su calor latente al producto a evaporar. La superficie de contacto entre el vapor primario y el producto separa el aparato en dos partes: un evaporador, donde se elimina el vapor secundario (producido en la evaporación) y un condensador del vapor primario. Por lo tanto, se trata de un intercambiador de calor latente.

Concentración

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Producto

Vapor secundario Vapor primario

Concentrado Condensados

Figura 1.–Principios de un evaporador.

2.1.2. Características del líquido Las características del alimento líquido que se va a concentrar tienen un marcado efecto sobre el rendimiento del proceso de evaporación, son por tanto, el principal factor que afecta en la selección de un tipo particular de evaporador. Las propiedades térmicas y reológicas de muchos alimentos líquidos cambian con la temperatura y con el contenido de sólidos. La densidad aumenta con el contenido de sólidos. La viscosidad de muchos alimentos líquidos, como por ejemplo zumos de frutas y hortalizas, aumenta drásticamente con el contenido de sólidos a bajas temperaturas. Una viscosidad alta afecta no sólo a la transferencia de calor sino también afectará al flujo del producto, es necesaria una adecuada alimentación del producto para que cubra por completo la superficie de transmisión de calor durante la evaporación Las elevadas viscosidades que pueden alcanzarse con la evaporación, en los alimentos que contienen azúcares, almidones y proteínas a altas concentraciones, implican cambios de densidad, de conductividad térmica y calor específico, y reducen el flujo de calor en el evaporador, pudiendo limitar el nivel de concentración alcanzable. Generalmente, la evaporación puede concentrar alimentos hasta un contenido de sólidos entre 70 y 80%, aunque puede llegar hasta el 98% en determinadas circunstancias. La reología del producto puede también ser importante en términos de manejo del mismo o de problemas de bombeo. Por ejemplo, los productos concentrados de tomate forman soluciones tixotrópicas (o dependientes del tiempo) en las cuales la viscosidad cambia con el tiempo.

406

Procesos de conservación de alimentos

El contenido de sales y el pH de algunos alimentos pueden plantear restricciones no usuales en el diseño del evaporador, como por ejemplo el problema de la corrosión de su material de construcción, si no se toman precauciones. Muchos componentes de los alimentos sufren modificaciones inducidas térmicamente durante el procesado. Estas modificaciones, generalmente son negativas para la calidad del alimento, pero en algunos casos pueden ser beneficiosas, como en el caso de la desactivación térmica de enzimas y microorganismos. Sin embargo, durante la evaporación se deben tratar de minimizar los efectos inducidos térmicamente. Los efectos negativos que pueden encontrarse son: • desnaturalización de las proteínas, que puede causar precipitaciones e incrustaciones, pérdidas de grado en las pectinas, etc. • producción de colores y olores desagradables, tales como pardeamiento de los productos lácteos y jarabes de azúcar, y • reacciones químicas, como por ejemplo, la hidrólisis de la sacarosa o la degradación de las vitaminas. Se han desarrollado diferentes soluciones para reducir los efectos de las reacciones térmicas que se producen en la evaporación de alimentos y que generalmente se basan en tres principios. El primero es el uso de bajas presiones, baja temperatura de evaporación. La operación a baja presión produce la evaporación del agua a temperaturas más bajas, con lo cual es menor la destrucción térmica. En general, en muchos de los alimentos sensibles al calor concentrados por evaporación, se trabaja a 70ºC. El segundo principio de diseño implica reducir el tiempo de permanencia a altas temperaturas. El objetivo es minimizar la cinética de reacción del proceso de degradación, reduciendo el tiempo de permanencia bajo condiciones de alta velocidad de reacción. En consecuencia, muchos de los evaporadores comerciales presentan un tiempo corto de residencia del producto en la zona de transmisión de calor. La tercera posibilidad para reducir la degradación térmica es minimizar el salto térmico para reducir la temperatura máxima que alcanza el producto (en la superficie de transmisión de calor), en la evaporación de alimentos sensibles se utilizan saltos térmicos bajos (2-3ºC). Muchos alimentos líquidos contienen componentes aromáticos de mayor volatilidad que el agua. y que por lo tanto la acompañarán durante la evaporación, perdiéndose los aromas a la vez que el agua. La pérdida de aromas es importante en muchos alimentos líquidos, pero es fundamental en la concentración de zumos de fruta. Una gran parte de la calidad del zumo de naranja, por ejemplo, se debe a su flavor y a su perfil aromático. Por lo tanto, si la evaporación separa de forma cuantitativa dichos compuestos volátiles, estos deben volver a incorporarse al producto de alguna forma. En la concentración de muchos zumos de frutas se lleva a cabo una recuperación de aromas, de los compuestos volátiles generados en el primer efecto de un sistema de efecto múltiple. Esta fracción de vapor se pasa a continuación por un sistema de recuperación, que es como una destilación fraccionada, en la que los componentes aromáticos diluidos se pasan a través de una columna de destilación donde se

Concentración

407

concentran hasta 100-200 folds, después son incorporados al concentrado producido en el último efecto. El término “fold” se refiere a la tasa de reducción de volumen, por ejemplo, un concentrado de cinco fold significa que su volumen se ha reducido un 80%. Para prevenir los daños por calor y la oxidación de los compuestos aromáticos diluidos, el proceso de separación se lleva a cabo a vacío y los vapores se condensan a bajas temperaturas. Las reacciones inducidas por el calor en los alimentos, pueden causar la formación de compuestos que se depositen sobre la superficie de transmisión de calor. Estas capas de incrustaciones limitan la transmisión de calor, aumentan la resistencia al flujo de fluido y reducen la capacidad del evaporador. Según el tipo de sistema de control de la operación, las incrustaciones pueden incrementar el consumo de vapor, reducir la concentración final alcanzable, disminuir el caudal de la alimentación, o una combinación de estos efectos. El diseño de los evaporadores debe tener en cuenta este cambio de resistencia a la transmisión de calor y las pérdidas de capacidad que produce. Para minimizar las incrustaciones se incorporan principios de diseño tales como pretratamiento en la alimentación (homogeneización de la leche), mantenimiento de una humectación adecuada de las placas o tubos, adecuadas velocidades de flujo, etc. 2.1.3. Coeficientes de transmisión de calor 2.1.3.1. Coeficiente global de transmisión de calor La ecuación general que describe el calor transferido desde un fluido calefactor, a través de una pared metálica, hasta el producto a evaporar es Q = V · λe = U · A (Tc – Te) = U · A · ∆T

[1]

donde: Q = calor transferido (W) V = vapor condensado (kg.s–1) λe = calor latente de vaporización del vapor a la temperatura de condensación (J.kg–1) U = coeficiente global de transmisión de calor (W.m–2.K–1) A = área de la superficie de calentamiento (m2) Tc = temperatura de condensación del vapor Te = temperatura de evaporación del producto El coeficiente global de transmisión de calor para el vapor condensado a través de una superficie de calentamiento para alimentos líquidos se puede escribir: 1 1 1 x = + + UA hc Ac he Ae k Am

[2]

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donde: Am = área media para los lados del vapor y del producto de la superficie de intercambio (m2) Ac = área de transmisión de calor del lado del vapor (m2) hc = coeficiente de transmisión de calor por convección del lado del vapor (W.m–2.K–1) k = conductividad térmica del material de la pared (W.m–1.K–1) x = espesor de la pared (m) he = coeficiente de transmisión de calor por convección del lado del líquido (W.m–2.K–1) Ae = área de transmisión de calor del lado del líquido (m2). En el cálculo de la transmisión de calor de los equipos comerciales la cuestión que se plantea es la elección de los valores del área de la superficie interior, exterior y media, que deben utilizarse como base de diseño. En muchos casos, en aplicaciones en los alimentos, el término central de la derecha de la ecuación [2] es demasiado pequeño como para tener significado práctico. Además, el coeficiente de transmisión de calor del lado del vapor es mucho más alto que el del lado del líquido, por lo tanto en la práctica, este último es esencialmente igual al coeficiente global de transmisión de calor. En tales casos, los razonamientos basados en el coeficiente global de transmisión de calor son tan satisfactorios como si se dispusiera del coeficiente de película del lado del líquido. El coeficiente global de transmisión de calor tiene una importancia fundamental, ya que un valor elevado de este coeficiente supone, como se verá más adelante: • Una capacidad de evaporación elevada. • Un tiempo breve de calentamiento. • Una temperatura media del producto moderada. Se comprende pues que los constructores de estos equipos dediquen sus esfuerzos a mejorar el coeficiente global de sus diseños. 2.1.3.2. Aumento del punto de ebullición El aumento del punto de ebullición de una solución (alimento líquido) se define como el incremento en el punto de ebullición sobre el del agua pura, a una determinada presión. La presencia de moléculas de soluto altera la presión de vapor de la solución y por lo tanto afecta al punto de ebullición de equilibrio. La elevación del punto de ebullición puede afectar de forma significativa la operación de un sistema de evaporación. Las sales y, en menor medida, los azúcares son los principales responsables del incremento del punto de ebullición de los alimentos. En sistemas alimentarios complejos, con frecuencia es difícil atribuir la subida del punto de ebullición a algún componente, por ejemplo, la leche contiene sales y azúcares y cada uno de ellos tiene su influencia sobre el punto de ebullición.

Concentración

409

Es importante tener en cuenta el aumento del punto de ebullición, ya que la diferencia de temperatura entre el vapor y el producto disminuye a medida que aumenta el punto de ebullición del producto, debido a su proceso de concentración. La disminución de la diferencia de temperatura entre ambos medios disminuye a su vez la velocidad de transmisión de calor entre el vapor y el producto. El incremento del punto de ebullición se puede predecir con la siguiente relación empírica, en función del contenido en sólidos: ∆Tb (º C) = 0,33 exp(4 X) donde X es la fracción másica de los sólidos solubles. El incremento del punto de ebullición se puede determinar de varias formas, aunque la manera más precisa es la determinación experimental. Si no se disponen de datos experimentales, este incremento puede ser estimado por la regla de Dühring, que establece una relación lineal entre la temperatura de ebullición de la solución y la temperatura de ebullición del agua a la misma presión. Esta relación no se cumple en todo el intervalo de temperaturas, pero es bastante aceptable si se utiliza en pequeños intervalos. 2.1.3.3. Efecto de las incrustaciones Uno de los problemas del proceso de evaporación es el efecto de la formación de costras o incrustaciones sobre la tasa de transmisión de calor. La producción y la calidad del producto se pueden ver afectadas por la acumulación de material desnaturalizado sobre la superficie de los tubos. El efecto de las incrustaciones sobre la tasa de transmisión de calor con el tiempo viene representado por la ecuación: 1 =a+bθ U2 donde: U = es el coeficiente de transmisión de calor en un determinado momento θ = tiempo de operación a y b = constantes. El efecto de las incrustaciones se puede expresar también como resistencia inducida por las incrustaciones, y el coeficiente global se obtendrá a partir de las diferentes resistencias térmicas que tienen lugar en el evaporador 1 x 1 1 = + + + ri hc k he U donde: ri = resistencia de las incrustaciones

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2.2. CARACTERÍSTICAS DE UN EVAPORADOR 2.2.1. Componentes de un evaporador Esencialmente un evaporador consta de una cámara, dentro de la cual hay un cambiador que proporciona el calor necesario al proceso por medio de la condensación de vapor a baja presión. Dentro de la citada cámara el producto se mantiene a vacío para reducir su temperatura de ebullición e incrementar la diferencia de temperatura entre el vapor de calefacción y el producto, con lo cual se consigue disminuir su posible deterioro durante el proceso de concentración. Los vapores producidos se transportan hacia un condensador, donde se producirá su condensación y su retirada fuera del sistema. A continuación se describen con más detalle los principales componentes de un evaporador. 2.2.1.1. Intercambiador de calor El intercambiador de calor puede decirse que es la parte más importante de un evaporador, puesto que es realmente donde se produce la evaporación. El intercambiador de calor puede adoptar formas diferentes, como se verá más adelante al tratar los distintos tipos de evaporadores, de tubos largos o cortos, de placas, etc., pero en la mayoría de los casos el producto a evaporar debe circular en capa fina con el fin de favorecer la vaporización. La transmisión de calor en el intercambiador depende del salto térmico (temperatura del vapor menos temperatura del producto), de la superficie total de transmisión de calor y del coeficiente global de transmisión de calor. Para asegurar una evaporación sin problemas, el intercambiador debe ser diseñado, controlado y manejado correctamente. 2.2.1.2. Mecanismo de distribución La clave del diseño de un evaporador, particularmente de aquellos en los que el producto se distribuye en capa fina sobre la superficie de intercambio, es el mecanismo de distribución del producto, que regula la cantidad de producto que se alimenta a la superficie de transmisión de calor. La alimentación debe distribuir el producto de forma que garantice una cobertura adecuada de la superficie de intercambio, para prevenir la formación de depósitos o incrustaciones. Al tratar los distintos tipos de evaporadores se describen los principales mecanismos de distribución del producto. 2.2.1.3. Separador vapor-líquido Una vez se ha producido la vaporización, debe separarse la mezcla líquidovapor que fluye fuera del intercambiador. La eficiencia de esta separación

Concentración

411

determina la eficiencia de cualquier uso de los vapores (por ejemplo sistemas de efecto múltiple o de recompresión), cualquier proporción de líquido arrastrado produce una disminución de la energía del vapor así como una pérdida de producto, una separación eficiente minimizará estas pérdidas. El mecanismo de separación no debe generar una caída de presión significativa, que reduciría también la energía del vapor. Se utilizan varios tipos de separadores en los sistemas de evaporación, con separación por gravedad, con deflector o centrífuga. 2.2.1.4. Condensador Los vapores residuales, que no van a ser utilizados en el proceso de evaporación, deben ser eliminados y condensados. Esto ocurre normalmente en el último efecto del evaporador, o bien se pueden colocar condensadores intermedios para controlar el vacío entre los efectos múltiples. Para condensar estos vapores se requiere un medio frío, que generalmente es agua fría pero en algún caso puede ser aire o un refrigerante. Los dos tipos de condensadores que principalmente se utilizan son de contacto directo o condensadores de superficie. 2.2.1.5. Producción de vacío Dado que el proceso de evaporación de muchos alimentos tiene lugar a vacío, para reducir el punto de ebullición, es necesario utilizar algún medio de producción de vacío. La eliminación del fluido condensado produce un vacío parcial, que depende del tipo de condensador y de la proporción que se elimine, pero generalmente es necesario emplear alguna fuente externa de generación de vacío. Para ello se puede recurrir a una bomba, por ejemplo de desplazamiento positivo, o bien por el uso de un sistema eyector de chorros de vapor. 2.2.1.6. Precalentadores Para asegurar una eficiencia máxima en el proceso de evaporación, el producto que se alimenta al evaporador debe ser precalentado para que entre en el evaporador en ebullición o próximo al punto de ebullición. Si la alimentación se realiza a temperatura inferior a su punto de ebullición, parte de la capacidad calefactora deberá utilizarse en calentar el producto hasta este punto, además puede producir inestabilidades de flujo y en consecuencia la operación puede ser inestable. Los precalentadores son esencialmente intercambiadores de calor de contacto indirecto que recuperan el calor del proceso de evaporación, aunque a veces se utiliza también inyección de vapor vivo.

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2.2.2. Configuraciones de un evaporador A lo largo de los años, la tecnología de evaporación ha avanzado significativamente para conseguir una alta eficiencia energética y una calidad elevada del producto. Para mejorar la eficiencia de la evaporación, se han desarrollado varios métodos, basados particularmente en la reutilización de la energía contenida en el vapor. 2.2.2.1. Evaporador de simple efecto El método de evaporación más simple es la utilización de un único efecto, en la que el vapor se alimenta al interior de la cámara de vapor, el concentrado y el vapor producidos se eliminan y después este vapor se condensa hasta agua caliente. En la figura 1 se indican los flujos en este proceso. El caudal de vapor y de condensado es V (kg.s–1); el caudal en la alimentación es P (kg.s–1) y el de concentrado que se obtiene es C (kg.s–1). El caudal de vapor hacia el condensador, asumiendo que no precipitan sólidos del producto alimentado, es S = P – C (kg.s–1). Tc es la temperatura de condensación del vapor, Te la temperatura de ebullición del líquido en el evaporador y Tp la temperatura del líquido en la alimentación. Para evaluar esta operación basta utilizar ecuaciones simples de balance de masa y de energía. Los balances de solutos y de disolvente son: P Xp = C Xc

Balance de sólidos Balance de agua

P (1 – Xp) = S + C (1 – Xc)

[3]

donde: Xp = fracción másica de sólido en el líquido de alimentación Xc = fracción másica de sólido en el líquido concentrado Balance de materia total:

P=S+C

[4]

A partir de las ecuaciones [3] y [4] se puede obtener la capacidad de evaporación del equipo: P (1 – Xp) = S + (P – S) (1 – Xc) S · Xc = P (Xc – Xp)

(

S=P 1–

Xp Xc

)

Concentración

413

El balance de energía alrededor de este evaporador se puede escribir en términos de calor latente de vaporización y calor específico: Q = V · λc = S · λe + P · cp (Te – Tp ) donde: V = caudal de vapor primario (kg.s–1) λc = calor latente del vapor de agua condensando (J.kg–1) λe = calor latente del agua evaporando (J.kg–1) cp = calor específico en la alimentación (J.kg–1.K) Por lo tanto, las necesidades de vapor son: V=

S · λe + P · cp (Te – Tp) λe

La eficacia del vapor (E) será: E=

S vapor producido = V vapor empleado

En la figura 2 se presenta un esquema completo de un evaporador de simple efecto.

Figura 2.–Esquema completo de un evaporador de simple efecto.

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Procesos de conservación de alimentos

Toda operación de evaporación debe satisfacer los tres imperativos industriales siguientes: • Capacidad de evaporación elevada. • Consumo energético específico bajo. • Aptitud para preservar la calidad del producto. La ecuación [1] citada anteriormente, indica que: Q = V · λe = U · A (Tc – Te) = U · A · ∆T de donde: V=

U·A = ∆T λe

El factor A (área de intercambio) refleja directamente el costo de la inversión del aparato, mientras que el factor ∆T refleja el costo de funcionamiento por consumo de energía. Para una capacidad de evaporación fija, se puede aumentar A y disminuir ∆T o viceversa. Esta elección no influye sólo en los costes de inversión y de funcionamiento, sino también en la calidad del producto tratado, que obliga a ir hacia superficies de intercambio grandes y ∆T pequeños. Cualquiera que sea la solución adoptada, es importante utilizar de forma correcta la superficie de intercambio, ya que es muy costosa. Lo cual significa que un evaporador no debe ser utilizado como un intercambiador de calor sensible, sino que debe intercambiar únicamente calor latente. Lo cual implica la necesidad de: • un precalentamiento del producto a concentrar, • un reglaje correcto del purgador que controla la salida de los condensados de vapor primario. Si el producto no se precalienta a la temperatura de ebullición, antes de entrar en el evaporador, la evaporación será precedida de una fase de puesta a temperatura, que utilizará una parte de la superficie de calentamiento, esto supondrá una reducción de la capacidad de evaporación del equipo. El purgador es un dispositivo que controla la salida de los condensados del vapor primario, de forma que no pueda perderse vapor no condensado. Si el purgador permite el paso de vapor no condensado, reduce el rendimiento térmico de la evaporación, mientras que si está mal reglado en sentido inverso, es decir, retiene demasiados condensados, una parte de la superficie de intercambio se verá inundada por ellos y no transmitirá más que calor sensible, por lo que estará infrautilizada. Un evaporador que funcione de forma perfecta no debe intercambiar absolutamente nada de calor sensible, lo cual significa que los condensados deben dejar el evaporador a una temperatura tan próxima como sea posible a la del vapor primario.

Concentración

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En lo que se refiere al consumo energético, en un evaporador de simple efecto, se pierde una cantidad considerable de energía en el condensado caliente, que puede ser recuperada para conseguir una evaporación más eficiente. En general, el caudal másico de agua evaporada es ligeramente inferior al caudal másico de vapor primario condensado Este vapor producido presenta una presión ligeramente inferior y algo menos energía que el vapor primario utilizado. Por último, la preservación de la calidad del producto exige: • Tiempos cortos de tratamiento. • Temperatura media del producto moderada. El tiempo de tratamiento del producto en el evaporador depende esencialmente de la capacidad de evaporación por unidad de superficie del aparato: V U · ∆T = A λe Para que sea mayor la relación V/A y, en consecuencia, el tiempo de tratamiento sea menor, será necesario un coeficiente global de transmisión de calor elevado y una diferencia de temperatura entre el vapor primario y secundario elevada. La temperatura media del producto, depende a la vez de la temperatura del vapor de calentamiento y de la temperatura de ebullición del producto. La reducción de una de estas temperaturas, producirá por lo tanto, la disminución de la temperatura media del producto. La temperatura del vapor primario se puede reducir fácilmente, pero al hacer esto se disminuye automáticamente ∆T, y en consecuencia, la capacidad de evaporación. Por lo tanto, será más interesante reducir la temperatura de ebullición del producto, de forma que simultáneamente se aumente el ∆T y con esto la capacidad de evaporación. La temperatura media del producto, no depende únicamente de las temperaturas de los vapores primarios y secundarios, también depende del coeficiente global de transmisión de calor. 2.2.2.2. Evaporador de múltiple efecto En el evaporador de simple efecto que aparece en la figura 2 los vapores producidos se separan sin utilizar posteriormente su contenido calorífico. Ahora bien, si los vapores se reutilizan como medio de calentamiento (vapor primario) en otro paso de evaporación, tal como se indica en la figura 3, el evaporador se denomina de múltiple efecto. Del balance entálpico de un evaporador de simple efecto se deduce que: • La condensación del vapor primario produce la evaporación de casi la misma cantidad de agua del producto tratado. • La entalpía másica del vapor secundario obtenido equivale prácticamente a la del vapor primario.

416

Procesos de conservación de alimentos

Esta doble constatación fue el origen de la idea de la reutilización del vapor secundario como vapor de calentamiento para el efecto siguiente, se llega así a un sistema en cascada de n efectos. Cuando el vapor primario se condensa en el primer efecto, se produce una evaporación equivalente de agua en cada uno de los efectos considerados, o sea el caudal de agua evaporada es n veces el caudal de vapor primario condensado. El consumo energético específico se convierte de esta forma en 1/n unidades másicas de vapor primario condensado por cada unidad de masa de agua eliminada del producto. Entre dos efectos sucesivos se debe establecer una caída de la temperatura del vapor (sin la cual no existiría transferencia de calor), por lo tanto, para que el sistema funcione es necesario que se produzca una caída de la temperatura de ebullición del producto al pasar de un efecto al siguiente. Para que esto sea cierto, la presión a la que se produce la evaporación debe ir descendiendo al pasar de un efecto al siguiente. Este gradiente de presión entre el comienzo y el final de la instalación, se consigue con una bomba de vacío conectada al condensador que recoge el vapor producido en el último efecto. Producto Vapor primario

Producto Vapor Producto Vapor

Vapor Condensado

CONDENSADOR Condensado

Condensado Condensado Concentrado

1.er EFECTO

2.º EFECTO

3.er EFECTO

Figura 3.–Esquema del proceso de evaporación de múltiple efecto.

Todo esto puede inducir a pensar que la rentabilidad de un proceso pasa por incrementar lo máximo posible el número de efectos instalados, pero no es así, ya que hay que tener en cuenta que cada nuevo efecto supone una inversión del mismo orden que el primer efecto. Por lo tanto la elección del número de efectos a instalar será una decisión económica, que deberá tener en cuenta el costo de la energía a la vez que el costo de la inversión necesaria, y, sobre todo, considerar que existen otros sistemas para recuperar el vapor secundario.

Concentración

417

En la figura 4 se muestra el esquema de un evaporador de triple efecto, en el que los vapores producidos en el primer y segundo efecto se utilizan de nuevo como medio de calentamiento en el segundo y tercer efectos, respectivamente. En un evaporador de múltiple efecto, el vapor vivo sólo se utiliza en el primero de ellos, la utilización del vapor generado en un efecto como medio calefactor en otros efectos, aumenta la eficacia en el uso de la energía consumida. El producto que sale parcialmente concentrado del primer efecto, se introduce como alimentación en el segundo efecto, después de la concentración correspondiente a este segundo efecto, se introduce como alimentación en el tercer efecto, de dónde sale con la concentración deseada. Esta disposición de flujo se denomina sistema de alimentación en corriente directa, otras disposiciones utilizadas en la industria incluyen sistemas de alimentación en contracorriente y en flujo cruzado.

Figura 4.–Esquema de un evaporador de tubos largos y circulación ascendente de triple efecto.

2.2.3. Conservación de energía y recompresión de vapor Como se ha indicado en el apartado anterior, la utilización de múltiples efectos tiene como objetivo la recuperación de energía. Existen además otros sistemas de recuperación que a su vez pueden utilizarse en montajes en múltiple efecto. 2.2.3.1. Recompresión térmica del vapor Una forma de reutilizar el vapor secundario consiste en reciclarlo, al menos parcialmente, reinyectándolo en el evaporador como vapor de calentamiento. Para que esta solución sea posible es necesario compensar la caída de

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Procesos de conservación de alimentos

entalpía entre vapor de calentamiento y secundario, recomprimiendo el vapor a reciclar, esto se consigue por medio de un termocompresor. El termocompresor es un eyector de vapor que funciona siguiendo el efecto de Venturi (figura 5). La presión del vapor motriz se transforma en energía cinética a su paso por la tobera, con lo cual se incrementa enormemente su velocidad, se produce de esta forma una depresión en la cámara que conduce a la aspiración del vapor secundario que sale del evaporador. En el cuello tiene lugar la mezcla de vapor motriz-vapor aspirado, consiguiéndose una presión superior a la que tenía el vapor aspirado.

Figura 5.–Esquema de un termocompresor.

En la figura 6 se indica la situación del termocompresor con respecto al evaporador, el vapor vivo pasa a través del eyector y aspira del separador los vapores de baja presión, el resultado es que la mezcla de vapor obtenida contiene mayor energía que el vapor producido y se reducen a su vez las necesidades de vapor vivo. Producto diluido

Vapor primario

Vapor secundario

TERMOCOMPRESOR

Vapor condensado

Producto concentrado

Figura 6.–Esquema de recompresión térmica del vapor.

Concentración

419

La recuperación de energía que se consigue con la termocompresión, depende de la relación entre el caudal de vapor aspirado y el caudal de vapor motriz. Esta relación está influenciada por numerosos factores y fluctúa de forma importante con el mínimo cambio de condiciones. En las condiciones clásicas de utilización, presión del vapor motriz de 10 bar y diferencia de temperatura entre 16 y 17ºC, esta relación está próxima a la unidad, esto significa que la termocompresión permite economizar una cantidad de energía equivalente a la que aportaría un efecto suplementario y con una inversión mucho más baja. Muchas instalaciones modernas de evaporación para la industria alimentaria constan de seis o siete efectos, con compresión térmica del vapor en el segundo o tercer efecto (figura 7), aunque también pueden encontrarse otras configuraciones. Producto Producto

TERMOCOMPRESOR

Vapor

Vapor

Producto Vapor

Vapor

Condensado CONDENSADOR

Condensado

Condensado Condensado Concentrado

Figura 7.–Termocompresión en un sistema de efecto múltiple.

El uso de la termocompresión generalmente reduce los costes de la instalación, puesto que el termocompresor cuesta menos que un efecto adicional, mientras que mantiene la eficiencia energética que este efecto adicional puede proporcionar. Es además simple y fácil de mantener. Sin embargo su uso está limitado cuando existe una alta elevación del punto de ebullición, cuando no se dispone de vapor motriz a alta presión (> 400 kPa) o cuando es importante la flexibilidad del evaporador, ya que el termocompresor está diseñado para trabajar en unas condiciones fijas. 2.2.3.2. Recompresión mecánica del vapor La compresión mecánica también puede mejorar la calidad (presión, temperatura y contenido energético) de los vapores producidos durante la evaporación. Aquí los vapores de un efecto se comprimen para alcanzar una presión alta, en un compresor mecánico y después son reutilizados (figura 8).

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Procesos de conservación de alimentos

Vapor

Alimentación

Compresor

Condensado Producto

Figura 8.–Recompresión mecánica del vapor.

En este caso, en lugar de reciclar sólo una parte del vapor secundario, es posible conseguir un reciclado prácticamente total, por la utilización del compresor mecánico que permite llevar su entalpía al nivel de la del vapor primario. Sólo se necesita una pequeña fracción de vapor motriz para compensar las inevitables pérdidas de energía. Un montaje así constituye una bomba de calor, en la que el agua desempeña el papel del fluido frigorígeno. En este caso es una bomba de calor “abierta”, ya que el sistema está alimentado en continuo por agua (entrada del producto a concentrar) y existe también una salida continua (condensados de vapor primario). Para que el sistema funcione en perfectas condiciones, la diferencia de temperatura entre el vapor secundario y el comprimido debe ser lo más baja posible, lo cual se consigue con una superficie de intercambio elevada. Luego en este caso la economía de energía se consigue a consta de un incremento doble de la inversión, por un lado es necesario un equipo de evaporación con una superficie elevada y por otro hay que invertir en el compresor, cuyo coste puede ser equivalente al del resto de la instalación. Pese a estos costes y a ciertos problemas técnicos que han retrasado el desarrollo de esta solución, por ejemplo los volúmenes enormes de vapor a comprimir (1 kg de vapor a 70ºC ocupa 5 m3), la recompresión mecánica se ha desarrollado a partir de los años ochenta gracias al espectacular ahorro de energía que consigue.

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Figura 9.–Clasificación de los evaporadores.

La alimentación del líquido tiene lugar por la parte central de la calandria, sobre el haz de tubos. El líquido que ocupa el espacio interior de los tubos, adquiere en ellos un movimiento ascendente al producirse las primeras burbujas de vapor. El movimiento ascendente del líquido por el interior de los tubos

Concentración

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Figura 10.–Esquema de un evaporador de tubos cortos verticales (standard).

se contrarresta por el movimiento descendente que se produce por el conducto central, consiguiéndose así una circulación activa por convección natural que facilita la evaporación y mejora el coeficiente global de transmisión de calor del equipo. El vapor de calefacción entra en la cámara de vapor y circula por el exterior de los tubos, los condensados se recogen en la parte inferior de esta cámara de vapor. El vapor producido (vapor secundario) escapa hacia arriba, produciéndose en el espacio superior a la calandria una separación inicial del vapor del líquido concentrado. Sin embargo, el vapor arrastra finas gotas de líquido, que se separan por medio de un deflector situado en la parte alta del evaporador. Una fuente de vacío mantiene reducida la temperatura de ebullición durante la evaporación. Los altos tiempos de residencia en este tipo de evaporadores, de 10 a 20 minutos, los hace poco adecuados para líquidos sensibles al calor. En general, los coeficientes de transmisión encontrados oscilan entre 1.000 y 1.500 W.m–2.K–1.

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Evaporadores de este tipo se utilizan en la industria de refinado de azúcar para la concentración de jarabes. Entre las ventajas de estos evaporadores se pueden citar las tasas relativamente altas de transmisión de calor a elevadas diferencias de temperaturas, que son fáciles de limpiar y que son relativamente económicos. Sin embargo, entre las desventajas se incluyen la pobre transmisión de calor con fluidos viscosos y el elevado tiempo de permanencia, pero quizás la mayor desventaja es el arrastre de espuma o gotas de líquido que puede producirse con el vapor, que sólo se atenúa con la introducción de corta espumas o tabiques deflectores. El evaporador del tipo cesta, es semejante al anterior, con algunas diferencias constructivas que permiten, entre otras cosas, controlar de forma eficiente el arrastre de espuma o gotas de líquido con el vapor producido (figura 11). En este modelo, el líquido concentrado en lugar de descender por un canal central, lo hace por el espacio anular que rodea al cuerpo calefactor. Para ello el haz tubular se suspende en el centro del cuerpo del evaporador, lo que le confiere una ventaja adicional: se puede extraer el conjunto de tubos para una limpieza más fácil.

Figura 11.–Esquema de un evaporador de tubos verticales cortos (de cesta).

Concentración

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La entrada del vapor calefactor se realiza por el centro del haz tubular. La tubería de entrada de éste se emplea como elemento de sustentación de la pantalla deflectora, que impide el arrastre de líquido con el vapor secundario. 2.3.1.2. Evaporadores de tubos verticales largos Se clasifican según el sentido de circulación del producto en: evaporadores de circulación ascendente, descendente y mixta. 2.3.1.2.1. Evaporadores de película ascendente (Rising Film) Estos equipos constan de una calandria cilíndrica vertical, en el interior de la cual va montado el haz de tubos largos verticales, de 6 a 12 metros de longitud, por el interior de los cuales circula el líquido. La alimentación se produce por la parte inferior de los mismos Por el exterior de estos tubos el vapor de calefacción puede circular en paralelo o en contracorriente con el producto. La cámara de separación del vapor va colocada normalmente fuera del cuerpo del evaporador y funciona por efecto centrífugo. Una característica general es el tubo de retorno exterior al cuerpo de calefacción. La circulación del líquido a concentrar en estos equipos puede ser natural o forzada. En los evaporadores de película ascendente y circulación natural (figura 12), el líquido a concentrar va incrementando su temperatura a medida que sube por los tubos, llegando un momento en que comienza a hervir. Como consecuencia de la ebullición, el volumen específico del producto aumenta considerablemente y sube por los tubos una mezcla de líquido y burbujas de vapor. A lo largo del tubo se distinguen tres regiones diferentes: • En la parte inferior del evaporador, el líquido no hierve únicamente se calienta. • En la parte central, la temperatura es suficientemente alta como para que empiece a hervir. En estas dos zonas, el grado de transferencia de calor es más bien bajo, existiendo una sobrepresión (debida a la columna de líquido) que produce una elevación de la temperatura de evaporación. • En la zona superior mejoran las condiciones de transferencia de calor, pero en la superficie se va formando una película que va a comenzar a secarse. Este tipo de equipos requiere normalmente frecuentes limpiezas por depósitos de incrustaciones, por lo tanto no son apropiados para líquidos muy viscosos, ni que tengan tendencia a formar depósitos. Presentan los mismos inconvenientes que los de tubos cortos, salvo que consiguen mejores coeficientes de transmisión de calor. Es conveniente precalentar el producto para que comience la evaporación lo más cerca posible del inicio de los tubos.

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Figura 12.–Evaporador de película ascendente de circulación natural.

Los evaporadores de película ascendente y circulación forzada (figura 13) también se llaman de concentración flash, porque se produce una súbita vaporización cuando el líquido está próximo a su punto de ebullición, debido a una rápida disminución de la presión. El líquido a concentrar es bombeado a través de un intercambiador de calor que puede ser tubular (pero no es estrictamente necesario que lo sea), donde se incrementa su temperatura, pero no llega a hervir a causa de la presión. A continuación pasa a un sector de presión reducida donde disminuye el punto de ebullición y se logra la evaporación flash. El “flashing” ocurre normalmente en el ciclón separador vertical, donde el líquido concentrado se recoge y se recicla. El sistema tiene la ventaja de que el líquido no entra en ebullición en el cambiador de calor, por lo que puede utilizarse para productos que precipiten fácilmente o que formen incrustaciones. La eficiencia de estos equipos es algo más baja que la de los evaporadores de circulación natural, ya que en este caso la transmisión de calor se realiza a todo el volumen de líquido, y además hay que tener en cuenta el consumo energético de la bomba de circulación. Las ventajas de los evaporadores de tubos largos de película ascendente, además del corto tiempo de residencia (entre 2 y 3 minutos), incluyen el alto coeficiente de transmisión de calor a través de películas delgadas a altos diferenciales

Concentración

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de temperatura y la economía relativa en términos de tamaño y espacio para unas funciones dadas de evaporación. Sin embargo, cuando los diferenciales de temperatura son bajos, como ocurre en muchos sistemas alimentarios, las velocidades de transmisión de calor son también bajas. Estas unidades de película ascendente son muy sensibles a cambios en las condiciones de operación que dan como resultado cambios en la evaporación. Se utilizan con éxito en productos no viscosos, pero sensibles al calor tales como productos lácteos y zumos. Los coeficientes de transmisión de calor encontrados son del orden de 1.800 W.m–2.K–1.

Figura 13.–Evaporador de película ascendente de circulación forzada.

2.3.1.2.2. Evaporadores de película descendente (Falling Film) Se trata de uno de los evaporadores más populares para alimentos sensibles al calor. Cuando la viscosidad del producto comienza a ser un factor limitante en el uso de un evaporador de circulación forzada, es indicado recurrir al tipo de película descendente (figura 14).

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Figura 14.–Evaporador de película descendente.

Los evaporadores de película descendente constan de tres partes principales: • Calandria vertical de tubos largos, como en los de película ascendente, calentada exteriormente con vapor, que puede circular o no en contracorriente con el líquido. • Separador líquido-vapor en la base de la misma, que puede estar unido directamente al elemento calefactor o separado del mismo. • Sistema de distribución del producto “en cabeza”, para un adecuado reparto del líquido por los tubos. La alimentación debe distribuir el producto de forma que garantice una cobertura adecuada de cada tubo, para prevenir la formación de depósitos. Este reparto se podrá realizar por medio de un distribuidor estático o dinámico (figura 15). El distribuidor estático consiste en dos o más placas perforadas, colocadas de forma que los agujeros de una no coincidan con los de la

Concentración

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inmediatamente inferior. Los orificios de la última placa tampoco deberán coincidir con los tubos, sino con los espacios entre tubos, para que el líquido se deslice por las paredes en forma de película. La distribución dinámica se efectúa por medio de pulverizadores, que reparten el producto sobre la placa donde están soldados los tubos. En cuanto la película penetra en el tubo, comienza el proceso, produciéndose una gran cantidad de vapor que, junto con la gravedad, hace que la película descienda a gran velocidad. De esta manera se consiguen altos coeficientes de transmisión de calor.

Figura 15.–Mecanismo de distribución en evaporadores de circulación descendente.

Estos equipos trabajan con tiempos cortos, temperaturas medias de calentamiento del producto bajas y también bajas temperaturas de evaporación, por lo que son apropiados para conservar el aroma, el sabor y las vitaminas de los alimentos. Se consiguen tiempos de tratamiento entre 1 y 5 minutos por efecto, aunque el tiempo real de contacto con la superficie calefactora es de aproximadamente 5 segundos. Esta elevada velocidad de circulación, impide la formación de incrustaciones. El único inconveniente de estos equipos es su altura: de 3,5 a 12 metros; el diámetro interior de los tubos oscila entre 25 y 50 mm.

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Procesos de conservación de alimentos

En general los coeficientes de transmisión de calor encontrados en el primer efecto son del orden de 2.500 W.m–2.K–1 y de 1.000W.m–2.K–1 en el último efecto de un sistema de múltiple efecto. Todas estas ventajas hacen que sean unos de los evaporadores más utilizados en la industria agroalimentaria. También son muy adecuados para su montaje en sistemas de múltiple efecto y para equiparlos con elementos de ahorro energético: termocompresores o compresores mecánicos del vapor. Este tipo de evaporadores se utiliza normalmente en la concentración de leche y zumos de frutas. 2.3.1.2.3. Evaporadores de circulación mixta En este caso se combinan los efectos de los dos sistemas descritos anteriormente. Los tubos dispuestos en la calandria se encuentran agrupados en dos secciones que son atravesadas sucesivamente por la solución a evaporar. En primer lugar se recorre la sección de tubos de circulación ascendente y después la de circulación descendente (figura 16). El sistema se utiliza fundamentalmente para líquidos que al aumentar la concentración alcanzan una gran viscosidad. Por el efecto de esta disposición, el descenso del líquido, ya muy viscoso, es acelerado por el vapor que se ori-

Figura 16.–Evaporador de circulación mixta.

Concentración

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gina en la primera sección de tubos. En estos equipos se consiguen unas velocidades de circulación muy elevadas, que determinan tiempos de permanencia muy cortos, por lo que también pueden ser utilizados para líquidos sensibles al calor. La deposición de incrustaciones en estos equipos es mínima. Estas características aconsejan su uso en montajes de múltiples efectos. 2.3.2. Evaporadores de superficies calefactoras móviles En estos equipos, no hay tubos ya que han sido sustituidos por unas superficies calefactoras de diseño especial. 2.3.2.1. Evaporadores de serpentín rotativo Estos evaporadores constan de una cámara cilíndrica o en forma de trapecio invertido, en cuyo interior va instalada una espiral rotatoria por la que circula el vapor de calefacción. (figura 17).

Figura 17.–Evaporador de serpentín rotativo (Manzini).

El eje de la espiral sirve como tubo de evacuación del condensado (C), y la espiral gira directamente en la masa de líquido a concentrar (P), que se introduce por la parte superior de la zona de calentamiento y se retira, una vez concentrado, por el fondo del equipo. El conjunto se mantiene a presión reducida para conseguir temperaturas bajas de ebullición por medio de una bomba de vacío conectada al condensador refrigerado por agua (W). Estos equipos se usan para producir concentrados de tomate, pero no pueden aplicarse a productos sensibles al calor, porque en ellos no pueden conseguirse tiempos cortos de tratamiento.

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Procesos de conservación de alimentos

2.3.2.2. Evaporadores centrífugos Se basan en el empleo de la fuerza centrífuga para formar películas delgadas sobre la superficie calefactora, conseguir un breve tiempo de contacto y lograr una buena separación entre las fases. Este equipo fue diseñado por Alfa-Laval, firma especialmente orientada a la construcción de centrífugas, y recibe el nombre de Centri-Therm (figura 18). Las superficies calefactoras están constituidas por troncos de cono colocados unos sobre otros y separados por juntas de estanqueidad. Estos conos están unidos a una carcasa y a un eje al que se le imprime un movimiento giratorio por medio de un motor exterior. Todo este conjunto está colocado dentro de una envolvente que actúa como caja de vapor secundario.

Figura 18.–Evaporador centrífugo (Alfa-Laval).

El líquido a concentrar (a) llega, a cada uno de los platos, desde un tubo que penetra en el conjunto por la parte superior. Unas boquillas pulverizan el líquido en la cara inferior de cada cono y, debido a la fuerza centrífuga, se distribuye inmediatamente en una fina capa (menos de 0,1 mm) sobre toda la superficie de calentamiento. El concentrado (b) se recoge en los espacios entre conos, en su parte más externa, desde donde, a través de orificios verticales, sube a la altura del primer cono llegando a un tubo de evacuación estacionario que lo conduce al exterior. Los vapores producidos (c) se evacuan

Concentración

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por el eje de los conos hacia la caja exterior, de donde son extraídos por una salida lateral. El vapor primario (d) entra por la parte inferior del eje de giro hueco, y llega a la carcasa que rodea los conos, desde aquí, a través de unos orificios, alcanza los espacios internos de los conos, sobre cuya superficie superior se condensa. El condensado (e) recorre esta superficie y vuelve a la carcasa por los mismos orificios de entrada del vapor. La fuerza centrifuga obliga a este condensado a alcanzar el canal inferior de la carcasa, desde donde es extraído por medio de un tubo de evacuación estacionario. El tiempo de contacto en estos equipos es muy corto, lo cual asegura la conservación de las características del producto: color, aroma, vitaminas, etc. Por esta razón se utilizan fundamentalmente para la concentración de productos termosensibles. Pueden trabajar con productos muy viscosos (hasta 20.000 cp), por lo que se pueden conseguir concentraciones muy elevadas (hasta el 85% de sólidos secos). El volumen de líquido que permanece en el evaporador es muy bajo (1,5 litros), lo que supone muy poca pérdida de producto en las paradas y gran rapidez de puesta a régimen. Son equipos compactos, que ocupan muy poco espacio, fáciles de desmontar y de fácil limpieza. Sin embargo, su capacidad de evaporación es reducida, son, por otra parte, equipos de diseño complejo, con un gran número de piezas en movimiento que exigen un ajuste estricto y, por lo tanto, sometidas a desgaste y a posibles averías. Su precio es elevado. 2.3.3. Evaporadores de superficies calefactoras fijas 2.3.3.1. Evaporadores de placas Son un diseño original que la firma A.P.V. desarrolló en 1957. Su uso en la industria alimentaria está muy generalizado. Su principio de funcionamiento es similar al de los evaporadores de circulación mixta, ascendente y descendente, pero en este caso la calandria de tubos se ha sustituido por un paquete de placas rectangulares. Como en los cambiadores de calor, las placas van montadas sobre un bastidor formado por un cabezal fijo, un cabezal móvil y las barras de soporte y guía (figura 19). Las placas son similares a las de los cambiadores de calor sensible (pasterizadores, esterilizadores,...), aunque suelen ser más grandes y además en su parte inferior disponen de una sección libre para que al unirlas se forme un canal para la evacuación del concentrado y de las grandes cantidades de vapor que lo acompañan. El líquido a concentrar alimenta la parte inferior de la sección ascendente, entra en ebullición en contacto con las placas calientes, sube hasta la parte superior de la placa y pasa a la siguiente placa de líquido (sección descen-

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Procesos de conservación de alimentos

Figura 19.–Evaporador de placas de circulación ascendente-descendente (APV).

dente) donde continúa la ebullición. Una vez recorridas las dos placas, el producto concentrado, junto con sus vapores, pasa al separador externo tipo ciclón montado en forma horizontal o vertical. Por lo tanto una sección completa de evaporación (llamada paso), está formada por cuatro placas, que definen cinco espacios entre placas: tres para el vapor y dos para el producto. Esta disposición se repite las veces necesarias para conseguir concentrar el caudal previsto. A título orientativo, los coeficientes de transmisión de calor alcanzan valores entre 2.600 y 3.200 W.m–2.K–1. Estos evaporadores son apropiados para su trabajo tanto en simple como en múltiple efecto, con o sin recompresión o precalentamiento. En la figura 20 se presenta el esquema completo de un evaporador de placas de doble efecto con circulación ascendente-descendente. El producto a concentrar entra en el sistema por el tanque (1), desde el cual es bombeado (2) hasta un precalentador de placas (3), después a través de una válvula de regulación (4) pasa al primer efecto del evaporador (5), donde el producto y el vapor pasan entre placas alternadas y se produce la concentración inicial. El producto semiconcentrado y el vapor secundario pasan al separador líquido-vapor (6), el producto parcialmente concentrado se extrae por la parte inferior y es bombeado (7) al segundo efecto (8) donde se trabaja a presión y temperatura más bajas. Una vez se ha producido la concentración el producto y el vapor se separan en (9) y se descarga el producto concentrado por la parte inferior (10). El vapor del separador del primer efecto es utilizado como medio calefactor del segundo efecto proporcionando una importante reducción del consumo de vapor. El vapor del separador del segundo efecto se condensa (11), y tanto este como el vapor condensado obtenido en (12) se utilizan para el precalentamiento inicial del producto.

Concentración

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Figura 20.–Esquema de un sistema de evaporación de placas de doble efecto (APV).

Aprovechando las ventajas de los evaporadores de circulación ascendentedescendente, APV ha desarrollado también un evaporador de placas de circulación únicamente descendente, con lo cual se consigue una importante reducción del tiempo de permanencia del producto en el evaporador, asegurando así una menor degradación térmica del alimento.

Figura 21.–Esquema de circulación descendente en un evaporador de placas (APV).

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En la figura 21 se presenta un esquema de este tipo de circulación, que puede montarse, de la misma forma que los evaporadores de placas de circulación ascendente-descendente, en sistemas de evaporación de múltiple efecto, como el doble efecto completo que se muestra en la figura 22.

Figura 22.–Esquema de un sistema de evaporación de placas de circulación descendente.

Los evaporadores de placas, en general, presentan un tiempo de contacto reducido; una pequeña capacidad volumétrica que hace muy rápidas las operaciones de parada y puesta en marcha, siendo mínima la cantidad de producto inutilizada, el consumo de vapor es también reducido, especialmente cuando se usa en múltiple efecto, con precalentamiento y compresión de los vapores. Presentan una gran flexibilidad, como todos los sistemas de placas independientes, un evaporador de este tipo puede adaptarse a diversas capacidades con sólo modificar el número de placas montadas. El espacio ocupado en planta es reducido. La aparición de incrustaciones o de depósitos sólidos sobre las placas modifica desfavorablemente los coeficientes de transmisión de calor y obliga a limpiezas frecuentes. 2.3.3.2. Evaporadores de conos invertidos Es un diseño original de la firma Alfa-Laval y se comercializa con el nombre de Expanding flow. Está compuesto por una serie de superficies troncocónicas apiladas unas sobre otras y colocadas de forma invertida. Los conos están unidos por medio de unas empaquetaduras especiales que mantienen entre ellos un estrecho paso de fluido. Al contrario que en el caso del Centri-Therm, los conos son estacionarios. No existen piezas en movimiento (figura 23).

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El vapor de calefacción entra por la parte externa de los conos y ocupa uno de cada dos espacios entre conos, se condensa y cae a la tubuladura central por donde se extrae del equipo. El producto entra por el eje de los conos, desde la parte inferior ocupando los espacios entre conos libres. El líquido en contacto con las superficies calefactoras hierve y fluye hacia arriba, hacia la salida de los conos. Esta salida se ha hecho tangencial a una campana deflectora contra la que choca la mezcla concentrado-vapor, permitiendo que el concentrado caiga al fondo y sea evacuado por la tubería colocada para este propósito. El vapor secundario asciende hasta la carcasa exterior para volver a bajar y salir por la tubuladura que lo lleva al condensador o al siguiente efecto.

Figura 23.–Evaporador Expanding flow (Alfa-Laval).

Se suelen montar en doble o triple efecto, con termocompresión y precalentamiento, obteniéndose así una gran economía de vapor (0,25 kg de vapor/kg de agua evaporada, para el triple efecto con termocompresión y precalentamiento). 2.3.3.3. Evaporadores de camisa de vapor En este grupo se incluyen dos tipos de evaporadores, uno de ellos de funcionamiento discontinuo o por cargas: tipo bolas y otro de funcionamiento continuo: de película agitada. El evaporador discontinuo es quizás uno de los más simples y posiblemente también el más antiguo de los utilizados en la industria alimentaria. Se

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Otras ventajas de este sistema son: reducción de las necesidades de agua de enfriamiento, reutilización de los condensados calientes y del exceso de vapor para precalentamiento del producto, operación con baja diferencia de temperatura y corto tiempo de residencia del producto en el sistema de evaporación. Esta técnica se utiliza ampliamente en la industria alimentaria, incluyendo productos lácteos, zumos de frutas y evaporación de jarabe de azúcar. La recompresión mecánica del vapor se puede utilizar también combinada con el múltiple efecto, tanto en circuitos de vapor en serie como en paralelo, siendo equivalentes ambos sistemas desde el punto de vista de consumo de energía. 2.3. TIPOS DE EVAPORADORES Los sistemas que se utilizan o se han utilizado en la industria para conseguir la concentración por evaporación de alimentos líquidos, son muy numerosos. No existe un evaporador que sea adecuado para todas las condiciones ni para todo tipo de alimentos. La calidad del producto, las propiedades de transmisión de calor, energía y factores económicos son los que determinan la elección de uno u otro tipo de evaporador para cada aplicación particular. Es necesario por tanto, establecer una clasificación para poder hacer un estudio sistemático. Esta clasificación puede hacerse siguiendo criterios diferentes, pero en este caso se ha considerado conveniente tener en cuenta, para establecer el primer nivel de clasificación, el tipo de cambiador de calor que montan: si es o no tubular. Después, dentro de los dos grandes grupos así establecidos se han empleado diferentes criterios en cada caso, con objeto de incluir todos los tipos existentes. En la figura 9 se incluye esta clasificación. 2.3.1. Evaporadores de tubos verticales Se clasifican aquí, de acuerdo con la longitud de sus tubos, en : evaporadores de tubos cortos y de tubos largos. 2.3.1.1. Evaporadores de tubos verticales cortos Es uno de los más antiguos de los que se han utilizado en la industria alimentaria, a veces llamado también standard, Robert o evaporador de calandria. (figura 10). Trabaja a altas temperaturas y se utiliza con productos que no son sensibles al calor, tales como soluciones de azúcares. Normalmente se utilizan en sistemas de efecto múltiple. Consta de un cuerpo cilíndrico vertical con un haz de tubos de 2,5 a 3,5 m de longitud y de 33 a 46 mm de diámetro interior. En la parte inferior de este cuerpo, se monta una cámara anular de vapor atravesada por haces de tubos abiertos en sus dos extremos (calandria).

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Procesos de conservación de alimentos

compone de una caldera de forma semiesférica (“bola”), en la que se produce la concentración, dicha caldera está envuelta por otro recipiente de la misma forma, cuyas paredes limitan la camisa de vapor de calefacción (figura 24). La descarga del recipiente se hace generalmente por medio de una conducción colocada en el fondo de la caldera y que atraviesa la camisa de vapor. Vapor secundario

Vapor secundario

Alimentación

Alimentación

Vapor primario Vapor primario

Condensado

Condensado Concentrado

Concentrado

Figura 24.–Evaporador discontinuo: tipo bolas.

El recipiente de calentamiento puede abrirse a la atmósfera o conectarse a un condensador o a un sistema de vacío. Los rendimientos de evaporación de estos equipos no son elevados, pues la relación contenido/superficie de calefacción es baja, y disminuye con el tamaño del equipo, ya que el contenido aumenta con la tercera potencia del radio, mientras que la superficie lo hace con la segunda. El coeficiente global de transmisión de calor de estos equipos suele ser de 290-1.600 W.m–2.K–1, dependiendo de la viscosidad, material de construcción, de la agitación aplicada, en caso de que se incorpore un agitador, etc. En consecuencia el tiempo de residencia del producto es generalmente muy alto, incluso de varias horas. El calentamiento del producto se produce por convección natural o forzada (agitación), obteniéndose bajos coeficientes de transmisión de calor. El procedimiento puede resultar anticuado para la mayoría de los productos alimentarios a concentrar, no obstante está generalizado en la industria del tomate, que es uno de los productos más resistentes a las alteraciones por calor.

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En estos casos se suelen asociar a evaporadores de funcionamiento continuo, como los de tubos cortos tipo Standard, que actúan como preconcentradores. Las instalaciones de concentrado de tomate pueden estar constituidas por varios equipos trabajando como simple efecto, discontinuos, o bien en montajes de doble efecto, en los que un preconcentrador continuo actúa como primer efecto, dando servicio a varios evaporadores de bolas que trabajan por cargas. Los evaporadores de película agitada (figura 25) trabajan, como ya se ha dicho, en continuo. Constan de un tubo ancho, generalmente colocado en posición vertical, rodeado de una camisa de vapor como elemento calefactor. En el interior del tubo hay unas paletas que giran muy cerca de la pared y lanzan el líquido a concentrar contra la misma, consiguiendo una fina película que se mueve en la dirección deseada. Los vapores producidos, que circulan en contracorriente del concentrado, se eliminan después de pasar por un separador, colocado en la parte superior, que evita la pérdida de partículas de líquido.

Figura 25.–Evaporador de película agitada.

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La característica diferencial de este equipo, no es la fina película de líquido conseguida, sino la agitación mecánica que se le imprime, que permite el procesado de líquidos de alta viscosidad, con sólidos en suspensión, o aquellos procesos que requieran cantidades de líquido demasiado pequeñas para mantener la superficie térmica de un evaporador de película descendente uniformemente mojada. En estas condiciones se consiguen velocidades de circulación considerablemente más altas que las que se obtendrían en evaporadores de tubos, que explican los altos valores de transferencia de calor en estos evaporadores. El tiempo de retención dentro de estos equipos, es una variable que depende de la velocidad de alimentación, de la viscosidad del producto y de la holgura de las paletas. En las instalaciones industriales, el tiempo de retención varía entre 20 y 90 segundos, para viscosidades por debajo de 1.000 cp. Este tiempo de procesado corto junto con las altas velocidades de transmisión de calor para líquidos viscosos, permite procesar en estos equipos productos que no pueden ser concentrados por otros sistemas de evaporación. La agitación minimiza, a su vez, la formación de material quemado y de depósitos en las paredes de calefacción. Son además relativamente fáciles de limpiar. Sin embargo, su costo es elevado debido a su complejo diseño, su consumo de vapor es también elevado en comparación con otros evaporadores y no se puede utilizar en múltiple efecto. Por último hay que señalar que requieren una importante altura libre para poder retirar el sistema de agitación para las operaciones de mantenimiento y limpieza.

3. CONCENTRACIÓN POR CONGELACIÓN 3.1. INTRODUCCIÓN La concentración de alimentos líquidos por congelación implica una reducción de la temperatura del producto de una forma suficientemente controlada, para conseguir una congelación parcial del mismo, hasta obtener una mezcla de cristales de hielo en un fluido concentrado. Estos cristales de hielo, si se han formado bajo condiciones apropiadas, serán muy puros, es decir, llevarán muy poco producto incorporado entre ellos. La separación de estos cristales puros de hielo, por centrifugación o por alguna otra técnica, lleva a conseguir un producto líquido concentrado. En la figura 26 se representa un esquema de las fases del proceso de concentración por congelación. La concentración por congelación es aplicable a muchos alimentos. Se ha utilizado comercialmente para la concentración de zumo de naranja, de vinagre, de cerveza y de vinos; también se ha utilizado esta tecnología para la concentración de extractos de café y te, jarabes de azúcar, productos lácteos tales

Concentración

441

Figura 26.–Esquema del proceso básico de concentración por congelación.

como leche y suero, etc. En la concentración de bebidas alcohólicas la concentración por congelación permite obtener resultados mejores que los conseguidos por otras técnicas. El desarrollo de la tecnología permitirá el incremento de sus aplicaciones comerciales. Las principales ventajas de la utilización de la concentración por congelación, frente a la evaporación o a la ósmosis inversa, están relacionadas con las bajas temperaturas del proceso y la ausencia de la interfase líquidovapor en la separación. La operación a baja temperatura permite la concentración de alimentos térmicamente sensibles sin pérdidas de calidad de los mismos, además en la separación sólido-líquido de la concentración por congelación no se producen pérdidas de flavor y aromas volátiles, como ocurre en la evaporación. Por estas razones, los productos obtenidos por este sistema generalmente presentan una calidad superior a los obtenidos por evaporación y equivalentes a los concentrados hechos por ósmosis inversa. Otra ventaja es que se obtiene el producto a baja temperatura con lo cual es compatible con la liofilización y procesos similares que requieren sistemas de enfriamiento. Los procesos de concentración por congelación, sin embargo, están limitados en el grado de concentración que se puede alcanzar. Estas limitaciones se deben, generalmente, al incremento de viscosidad que se produce a las bajas temperaturas de congelación.

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Procesos de conservación de alimentos

3.2. PRINCIPIOS GENERALES 3.2.1. Depresión del punto de congelación

Depresión punto congelación (°C)

Los solutos de los alimentos de bajo peso molecular, sales, azúcar, etc., producen un cambio termodinámico en el punto de congelación del líquido. Es decir, en lugar de congelarse a 0ºC, muchos alimentos líquidos lo hacen a temperaturas más bajas, dependiendo de la concentración y el tipo de sólidos disueltos. Cuando mayor sea la concentración de sólidos disueltos, mayor será la depresión del punto de congelación. Durante un proceso de concentración por congelación por cargas, el punto de congelación cambia continuamente a lo largo del proceso, a medida que aumenta la concentración en la solución remanente. Esta depresión del punto de congelación continúa hasta el punto eutéctico, para cada soluto (véase Capítulo XI). Para el diseño de un sistema de concentración por congelación, se debe tener en cuenta la depresión natural del punto de congelación, observada en muchos alimentos. En la gráfica 1 se representan las curvas de variación del punto de congelación para leche y soluciones de azúcar, en ella se aprecia la disminución de la temperatura de congelación a medida que aumenta el contenido de sólidos. Esta información es crítica para el diseño de un sistema de concentración por congelación, puesto que las necesidades de frío y las condiciones de operación vienen determinadas en gran medida por la temperatura de congelación.

Gráfica 1.–Curvas del punto de congelación para leche y soluciones de azúcares.

Concentración

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Si el proceso de congelación tiene lugar a temperatura demasiado baja o la concentración de la solución se incrementa excesivamente, el hielo no cristalizará bajo forma pura, sino como una mezcla sólida (véase Capítulo XI). 3.2.2. Pretratamiento de los alimentos La eficiencia del proceso de concentración por congelación se puede mejorar en parte con algún pretratamiento del alimento. Estos pueden implicar procesos que alteren la estructura química (por ejemplo, inactivación de enzimas) o separación física de algunos componentes del alimento (por ejemplo, eliminación de pulpa o pectinas). La separación de la pulpa por centrifugación antes de la concentración por congelación de zumos de frutas, proporciona una mayor eficiencia en el proceso y menores pérdidas de sólidos en la columna de lavado. Un tratamiento térmico pasteriza el zumo y desactiva la enzima pectinesterasa, responsable de la formación de una nube en el zumo, este tratamiento produce mejoras desde el punto de vista microbiológico y de estabilidad de la nube, sin afectar negativamente la calidad del producto. La presencia de macromoléculas (proteínas, almidones, etc.) en los alimentos tiene también un efecto importante sobre el proceso de concentración por congelación, puesto que afecta de forma significativa al proceso de cristalización del hielo, en general las macromoléculas en los alimentos tienen una influencia negativa sobre la cristalización. En estos casos se sugiere, para conseguir una mayor eficiencia, un pretratamiento que implique una ultrafiltración para separar dichas macromoléculas, con la subsiguiente readición del retentato al producto concentrado final. 3.2.3. Viscosidad del producto Como la concentración del alimento aumenta durante el procesado, generalmente su viscosidad se incrementa también. Este incremento de viscosidad durante la concentración por congelación marca el límite superior de concentración que se puede obtener. La capacidad del sistema de separación, particularmente la columna de lavado para separar el hielo del concentrado, es inversamente proporcional a la viscosidad del producto. Por lo tanto, a medida que se incrementa la viscosidad, la capacidad de separación de los cristales de hielo disminuye. Una viscosidad alta afecta también a las propiedades de la cristalización que tiene lugar durante el proceso de concentración por congelación. Las tasas de crecimiento y maduración de los cristales están afectadas negativamente por la presencia de componentes, tales como azúcares, proteínas, almidones, etc., que producen un aumento de la viscosidad de la solución y llevan también a limitaciones de transferencia de masa y de calor.

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Procesos de conservación de alimentos

3.2.4. Velocidad de cristalización Como se ha dicho antes, muchos constituyentes de los alimentos ejercen un efecto negativo sobre los parámetros de cristalización de hielo en un concentrador por congelación. La simple presencia de muchos componentes, incluyendo sales, azúcares, proteínas y almidones, afecta a la velocidad de nucleación de los cristales de hielo, su crecimiento y maduración. Para optimizar el proceso de concentración por congelación, es necesario conocer los efectos de dichos constituyentes sobre el proceso de cristalización; se han realizado muchos estudios sobre este punto en zumos de frutas y jarabes de azúcar. La determinación de la capacidad de formación de hielo necesaria para alcanzar una determinada concentración final, se realiza por medio de un balance similar al indicado en el cálculo de la capacidad de evaporación de un simple efecto, por lo tanto: Xi M =1– P Xf donde: P = alimentación (kg.s–1) M = hielo formado (kg.s–1) Xi y Xf = fracción másica de sólido inicial y final de sólidos De la ecuación anterior se desprende que para conseguir doblar la concentración de sólidos de un alimento es necesario eliminar, en forma de hielo, una cantidad de agua equivalente a la mitad del peso inicial de producto. 3.3. TIPOS DE CONCENTRADORES POR CONGELACIÓN El proceso de concentración por congelación incluye una unidad para controlar la cristalización del hielo seguida de una unidad de separación del mismo. En el mercado existe una amplia gama de sistemas para la realización de este proceso, a continuación se describen los sistemas básicos y sus componentes principales. 3.3.1. Unidad de cristalización En la unidad de cristalización debe controlarse la formación y crecimiento de los cristales de hielo, de forma que se consiga una distribución uniforme de los cristales formados, para proporcionar una adecuada separación de los mismos. La distribución de tamaño óptimo para muchos separadores es una distribución monodispersa (con estrecho rango de tamaños) con un gran tamaño medio. Esto facilita el lavado posterior y reduce la cantidad de producto que se arrastra en dicha separación.

Concentración

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El control de la formación y crecimiento de los cristales se puede conseguir de varias formas, una clasificación simple de los posibles tipos de cristalizadores se basa en que el contacto entre el refrigerante y el alimento sea directo o indirecto. 3.3.1.1. Congeladores de contacto directo En ellos se produce una mezcla intima entre el refrigerante y el producto a congelar. El refrigerante en forma líquida bajo presión se expande a través de una boquilla en el alimento líquido, donde hierve a baja presión. Esta vaporización causa un efecto de refrigeración y produce la formación de cristales de hielo en el producto. Otra opción es utilizar un vacío alto para vaporizar una porción de agua de constitución del alimento, produciéndose un efecto de refrigeración, que hace disminuir la temperatura del producto y causa la formación de cristales de hielo. Estos tipos de procesos, muy utilizados en la concentración de productos químicos o incluso en la desalinización del agua del mar, son poco utilizados en la industria alimentaria, fundamentalmente porque en la interfase vapor-líquido que se crea se producen pérdidas de flavor y de aromas volátiles. El producto así obtenido no presenta mejor calidad que el producido por evaporación. 3.3.1.2. Congeladores de contacto indirecto Son más comunes en la industria alimentaria, en ellos la energía para la refrigeración se debe transferir a través de la pared de algún tipo de cambiador de calor. Se pueden clasificar en dos tipos: enfriados internamente y externamente. Los enfriados internamente pueden, a su vez, subdividirse según el proceso de cristalización sea en capa o en suspensión. En la cristalización en capa, el hielo se forma en capas finas sobre la superficie de intercambio de calor, y después de un periodo de tiempo adecuado para el crecimiento de dicha capa, es eliminada de la superficie y separada por presión del líquido concentrado. Un tipo de este sistema de cristalización utiliza un cilindro rotatorio inmerso en el fluido a concentrar, el refrigerante circula por el interior del cilindro y causa la formación de hielo en la superficie del mismo, de donde es raspada por una cuchilla (véase Capítulo XI). En los cristalizadores de suspensión, el producto a concentrar se agita en un recinto enfriado por transmisión de calor a través de las paredes. Este recinto puede ser un intercambiador de calor de pared rascada. El resultado de este proceso es una suspensión bombeable de cristales de hielo en el producto concentrado, que debe llevarse a continuación a un dispositivo de separación. Los cristalizadores enfriados externamente utilizan un mecanismo de transmisión de calor externo al recipiente principal de cristalización. Una versión de concentrador por congelación enfriado externamente que se usa comercialmente,

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utiliza un intercambiador de calor de pared rascada a baja temperatura para producir cristales muy pequeños, estos cristales se pasan a un tanque de maduración donde los cristales aumentan de tamaño, las condiciones de temperatura en este cristalizador se mantienen de forma que los pequeños núcleos se fundan mientras que se forman cristales grandes. Este proceso de maduración está gobernado por el tamaño de los cristales, los cristales pequeños son inherentemente menos estables que los grandes. En la figura 27 se esquematiza este proceso. Alimentación Congelador de pared rascada Depósito de maduración

Hielo

Columna de lavado

Concentrado Figura 27.–Esquema de la concentración por congelación con enfriamiento externo.

Esta técnica se ha utilizado con éxito el la concentración de muchos alimentos líquidos. 3.3.2. Mecanismo de separación Una vez que se han desarrollado los cristales en la unidad de cristalización, estos cristales deben ser separados del producto concentrado de forma eficiente. Esta separación se puede hacer por prensado, centrifugación o en columnas de lavado. El prensado se utiliza cuando se realiza la cristalización en capa, ahora bien, aunque se trata de una técnica de bajo coste, no se emplea demasiado en la industria alimentaria debido a la gran cantidad de sólidos que arrastra. La

Concentración

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centrifugación, que se basa en la diferencia de gravedad específica entre el hielo y el líquido concentrado, puede producir ciertas pérdidas de flavor y aromas debido al espacio de aire que se crea durante la separación. El uso de las columnas de lavado se ha incrementado debido a los recientes desarrollos que permiten la separación con muy poco arrastre de producto, que generalmente es menor de 100 ppm de sólidos retenidos en el hielo. Las columnas de lavado trabajan de forma continua con flujo a contracorriente de hielo y concentrado.

4. SEPARACIÓN POR MEMBRANAS 4.1. INTRODUCCIÓN Las membranas de permeabilidad selectiva, es decir que sólo dejan pasar a su través ciertas moléculas, presentan un gran interés en la industria agroalimentaria. Algunas de las membranas disponibles separan las moléculas de agua de otros constituyentes de los alimentos líquidos, con lo cual se consigue una concentración de los mismos, otras membranas pueden separar moléculas por tamaño, obteniéndose así a la vez concentración y fraccionamiento. Los procesos de membrana presentan muchas ventajas sobre otras técnicas de concentración. La ventaja principal es que la calidad del producto generalmente se mantiene, puesto que se trabaja a bajas temperaturas y no hay interfase vapor-líquido que cause pérdidas de aromas. Además, las separaciones por membrana generalmente presentan exigencias energéticas reducidas, bajos costes de trabajo, pocas exigencias de espacio y una amplia flexibilidad de operación. Sin embargo, las membranas tienden a ensuciarse a medida que el producto se concentra y se incrementa la viscosidad, lo cual limita las concentraciones que se pueden alcanzar. Generalmente, con los procesos de membrana sólo pueden conseguirse concentraciones entre 40-45%, comparado con más del 80% que se obtiene con la evaporación. 4.2. APLICACIONES EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA La técnica de membranas ha avanzado rápidamente en la industria alimentaria desde sus modestos comienzos a principios de los años sesenta, lo cual representa un paso importante en una industria que universalmente se ha considerado conservadora. El rango de aplicaciones de la técnica de membranas que se ha comercializado se extiende al espectro completo, desde la microfiltración a la ósmosis inversa. Estas aplicaciones se refieren a varios sectores de la industria incluyendo el sector lácteo, de frutas y hortalizas, de bebidas, de procesado de granos y de azúcar. La industria láctea es una de las principales utilizadoras de la separación por membrana. Se emplea ósmosis inversa para la concentración de leche antes de la

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evaporación y de la fabricación de queso. El factor de concentración está limitado por la precipitación de fosfato cálcico. La producción separa alrededor de un 85% de leche como suero, que contiene en solución proteínas, lactosa y sales. La concentración del suero por ósmosis inversa y su fraccionamiento por ultrafiltración es una de las principales aplicaciones de las membranas en la industria alimentaria hoy en día. La concentración del suero por ósmosis inversa reduce los costes de transporte mientras que su fraccionamiento produce un concentrado de proteínas del suero que tiene valor como subproducto. La ultrafiltración es ampliamente utilizada para la concentración de las proteínas en la leche y en el lactosuero y para la normalización proteica de la leche destinada a la fabricación de queso, yogur y otros productos lácteos. La nanofiltración se utiliza cuando se desea la desalinización parcial del lactosuero y la microfiltración se aplica, básicamente para la reducción del número de bacterias en la leche desnatada, lactosuero y salmueras, pero también para la reducción del contenido en grasa del lactosuero destinado a la fabricación de concentrados proteicos y para el fraccionamiento de proteínas. En estas aplicaciones, las moléculas pequeñas tales como sales y lactosa, pasan generalmente a través de la membrana de ultrafiltración, mientras que las proteínas quedan retenidas en el concentrado. Los zumos de frutas se concentran desde el contenido original de azúcar de 10 a 16% hasta alrededor del 60% para el transporte y almacenamiento. Esta concentración se realiza normalmente en evaporadores de múltiple efecto, la ósmosis inversa presenta la ventaja frente a los evaporadores, de menores costes y menor consumo de energía. Sin embargo, estas ventajas están limitadas por el bajo rango de concentración, del orden de 24%. Otra ventaja de la ósmosis inversa es que produce concentrados de mejor calidad debida a la ausencia de daños térmicos. El proceso de obtención de azúcar a partir de caña o de remolacha implica una clarificación del zumo para eliminar las partículas coloidales y en suspensión, operación que puede realizarse por ultrafiltración. Otra técnica que se puede aplicar en la industria azucarera es la ósmosis inversa para la preconcentración del jarabe. En la clarificación de los vinos se pueden sustituir los sistemas de filtración tradicionales por una microfiltración, la concentración del vino por ósmosis inversa acelera el proceso de precipitación tartárica en la estabilización en frío. También se utiliza la ósmosis inversa para la obtención de vinos y cervezas de bajo contenido en alcohol. La microfiltración se emplea en la industria de cerveza para obtener cerveza esterilizada en frío. La sangre es el residuo de mayor volumen de los mataderos, su recuperación utilizando membranas incluye la separación y purificación de las células de la sangre, concentración del plasma y concentración de la sangre homogeneizada, todo ello se puede hacer por ultrafiltración. La gelatina es un subproducto de origen animal que contiene proteínas coloidales formadas por hidrólisis del colágeno. El hidrolizado que contiene de

Concentración

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3 a 15% de sólidos se concentra y se seca para producir gelatina en polvo. El método tradicional implica evaporación con vapor y secado con rodillos. La ultrafiltración da mejores resultados que la evaporación debido a los menores daños térmicos y a los costes más bajos. También en la clarificación de la gelatina, los filtros de tierras de diatomeas han sido sustituidos por sistemas de microfiltración. Por último, las plantas de procesado de alimentos vierten cantidades importantes de agua con sólidos disueltos y en suspensión. Cuando los problemas que plantean estos efluentes están relacionados con sales o materia orgánica disueltas se puede aplicar ósmosis inversa. La utilización de la separación por membrana en la industria alimentaria se continua incrementando con el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. 4.3. PRINCIPIOS DE LA SEPARACIÓN POR MEMBRANAS 4.3.1. Terminología • Alimentación: solución a concentrar o fraccionar. • Flujo: velocidad de extracción de permeato medido en litros por metro cuadrado de superficie de membrana y por unidad de tiempo. • Ensuciamiento de la membrana: deposición de sólidos sobre la membrana, irreversible durante el procesado. • Permeato: el filtrado, el líquido que pasa a través de la membrana. • Retentato o concentrado: el concentrado, el líquido retenido. • Factor de concentración: la reducción del volumen conseguida por concentración, es decir, la relación volumen inicial de alimentación/volumen final de concentrado. 4.3.2. Técnicas utilizadas • Ósmosis inversa: concentración de soluciones por eliminación de agua. Utiliza las membranas más finas, que son capaces de separar las moléculas más pequeñas de soluto. Las membranas de ósmosis inversa se clasifican por el porcentaje de rechazo de cloruro sódico en una solución acuosa bajo condiciones específicas que oscila entre 99,5 y 95%. Se requieren altas presiones, entre 4 a 8 MPa para vencer la elevada presión osmótica de las soluciones de pequeñas moléculas. • Nanofiltración: concentración de componentes orgánicos por eliminación de parte de iones monovalentes como el sodio y cloruros (desmineralización parcial). Las membranas de nanofiltración retienen moléculas de soluto de peso molecular entre 100 y 1.000, se clasifican por el peso molecular de corte, como en el caso de las membranas de ultrafiltración, que se define como el peso molecular de la molécula más pequeña de la

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cual el 90% es retenido por la membrana, o por el porcentaje de cloruro sódico rechazado como las membranas de ósmosis inversa. El rango de presiones a las que opera la nanofiltración es de 700-3.500 kPa. • Ultrafiltración: concentración de grandes moléculas y macromoléculas, tales como proteínas y almidones. Las membranas de ultrafiltración se clasifican por el peso molecular de corte, como las membranas de nanofiltración. La ultrafiltración se extiende desde pesos moleculares de corte de 1.000 a 500.000. Requiere a veces altas presiones de operación, comparada con la microfiltración, normalmente entre 35 a 1.000 kPa. • Microfiltración: eliminación de bacterias, separación de macromoléculas, es la filtración más grosera, sus aplicaciones se refieren a la separación de pequeñas partículas suspendidas en líquidos. Las membranas de microfiltración se clasifican por el diámetro de poro de corte, que es el diámetro de las partículas más pequeñas que son retenidas por ellas, típicamente oscilan entre 0,1 a 10 µm. La microfiltración requiere las presiones de operación más bajas de todas las técnicas citadas, normalmente entre 70 y 350 kPa. En la figura 28 se muestra el espectro de la filtración en relación con las aplicaciones en la industria alimentaria. Todas las técnicas citadas se caracterizan por realizar una filtración por membranas según un flujo cruzado. La solución de alimentación se fuerza a Ultrafiltración

Ósmosis inversa

Filtración tradicional

Nanofiltración

Microfiltración

Enzimas

Colorantes

Proteínas

Amino ácidos Péptidos

Aromas Sales

Azúcares

100

0,0001

0,001

10000 100000

0,01

Bacterias

Gelatina Amilosa

1000

Levaduras

Amilopectinas

1000000

0,1

Gránulos de almidón

Peso Molecular

1,0

10

Diámetro (micras)

Figura 28.–Espectro de aplicación de los procesos de separación por membranas.

Concentración

451

pasar a través de una membrana bajo presión, esta solución se hace circular sobre una membrana y los sólidos (retentato) se retienen mientras que el permeato pasa a través de ella. Las principales diferencias entre la filtración convencional o estática y la filtración por membranas se centran en: • El medio de filtración utilizado. Los filtros convencionales son de cierto espesor con estructuras abiertas, el material es típicamente papel. Los filtros de membranas son delgados y de un tamaño de poro uniforme y controlado, el material utilizado son polímeros y cerámicas, actualmente en raras ocasiones son de acetato de celulosa. • En la filtración convencional, la gravedad es la fuerza principal que provoca la separación de las partículas, la presión sólo se aplica para acelerar el proceso. El flujo de alimentación es perpendicular al medio de filtración y la operación se puede realizar en sistemas abiertos. • En la filtración por membranas, es esencial el uso de la presión como fuerza impulsora de la separación y se sigue un diseño de flujo cruzado o tangencial. La solución de alimentación se hace circular paralelamente a la superficie de la membrana y el permeato fluye perpendicular a la membrana de filtración. La filtración debe realizarse en un sistema cerrado. En la figura 29 se explican los modelos generales de flujo de los distintos sistemas de separación por membranas.

Figura 29.–Principios de la separación con membrana.

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Procesos de conservación de alimentos

4.4. PROCESO DE SEPARACIÓN POR MEMBRANAS La filtración en flujo cruzado es un proceso que se conduce bajo presión, una mezcla de líquido y sólidos se pone en contacto con una membrana y se fuerza al líquido a pasar a través de la misma. Los sólidos retenidos, son barridos a lo largo de la superficie de la membrana por el flujo de la mezcla sólido-líquido. Una pequeña cantidad de sólidos pasan también a través de la membrana. El flujo de líquido a través de la membrana es conducido por el gradiente de presión hidráulica. Estas diferencias de presión y de concentración a través de la membrana conducen al transporte de ciertas moléculas a través de la misma (filtrado o permeato), mientras que las moléculas grandes permanecen en lado de la alimentación (retentato). En el caso de la ósmosis inversa y nanofiltración, la presión osmótica de la solución se opone a la presión hidráulica. En la ultrafiltración y microfiltración los solutos fluyen a través de los grandes poros de la membrana, este flujo se considera normalmente despreciable. El comportamiento de un sistema de filtración por membrana se mide en términos de su capacidad para producir grandes volúmenes de filtrado en un corto periodo de tiempo y el grado de pureza del filtrado con respecto a la concentración de soluto. El flujo de permeato y el rechazo de soluto son los dos parámetros utilizados universalmente para este fin. El flujo de permeato (J) se define como el volumen de permeato que fluye a través de una unidad de superficie de membrana en un periodo de tiempo unitario. Flujo de permeato =

Volumen de permeato (l) Superficie de membrana (m2) × Tiempo (h)

El rechazo de soluto (R) se define como:

[

Rechazo de soluto = 1 –

]

Concentración de soluto en el permeato × 100% Concentración de soluto en la alimentación

4.4.1. Ósmosis inversa La ósmosis y la ósmosis inversa son procesos importantes en muchos campos. Para comprender estos procesos, se supone una solución de sal en el interior de una cámara, donde solo una membrana semipermeable la separa del agua pura (figura 30). La membrana semipermeable no deja pasar la sal, sino únicamente el agua pura. El potencial químico de la solución salina, un parámetro termodinámico relacionado con la energía interna, es diferente del que tiene el agua pura, por lo tanto el agua pasará a través de la membrana para equilibrar el sistema. Esto ocurrirá hasta que se alcance el equilibrio, pero las presiones a ambos lados de la membrana no serán iguales, la presión en lado

Concentración

453

de la solución salina será más alta. La diferencia de presión entre los dos lados de la membrana es la presión osmótica. La presión osmótica está influenciada por el tipo de solutos presentes y su concentración, las moléculas pequeñas ejercen una presión osmótica mayor que las grandes moléculas, y concentraciones elevadas dan altas presiones osmóticas. Las presiones osmóticas más altas se encuentran en soluciones que tienen elevadas concentraciones de sustancias de bajo peso molecular. Generalmente, los constituyentes primarios de los alimentos que influyen sobre la presión osmótica son sales o azúcares. Por ejemplo, la leche contiene alrededor del 5% de lactosa y algo menos del 1% de sales, produciendo una presión osmótica de alrededor 690 kPa.

Inicial Agua pura

Agua con sal

Presión osmótica

Final Agua con sal

Agua pura

Figura 30.–Desarrollo de la presión osmótica (Π) debida al equilibrio de agua salada con agua pura.

La presión osmótica (Π) de una solución se puede estimar con la expresión siguiente: Π=

– RT1n(XA) Vm

donde: R = constante de los gases T = temperatura XA = fracción molar del agua en la solución Vm = volumen molar del agua

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Procesos de conservación de alimentos

Para soluciones diluidas la ecuación anterior se puede simplificar, obteniéndose: Π=

cRT Mw

donde: c = concentración de soluto Mw = peso molecular del soluto Para sistemas de mezclas de soluto o alimentos complejos, se debe utilizar en la ecuación anterior la media del peso molecular de las especies que influyen en la presión osmótica. Para producir un incremento en la concentración de la solución de sal en el ejemplo anterior, la presión de la sal debe llegar a ser mayor que la presión osmótica. Cuando la presión aplicada en el lado de la sal excede la presión osmótica, las moléculas de agua comienzan a pasar desde la solución salina hacia el agua pura. Esto se llama ósmosis inversa. Por esta razón, como ya se ha indicado anteriormente, en el proceso de ósmosis inversa se requieren altas presiones. En la tabla 2 se recogen las presiones osmóticas de algunas sales y de algunos alimentos. Tabla 2. Presión osmótica de algunas sales y alimentos Producto

Contenido de sólidos (%)

Peso molecular

Presión osmótica (kPa)

Sales Agua del mar

3,5

Azúcares Lactosa Sacarosa

5,0 5,0

342 342

450 450

Proteínas Caseína

3,5

25.000

104

–11 –11 –11 –11 –11 –11

790 790 1.700 2.200 2.200 3.500

Alimentos Leche Suero Zumo de naranja Zumo de manzana Zumo de uva Extracto de café

11 6 11 14 16 28

58,5

1.550

En la figura 31 aparece el esquema de un proceso típico de ósmosis inversa donde la alimentación tiene lugar bajo presión, excediendo la presión (P1) en el lado de la alimentación a la presión osmótica (P1 > Π). El material que pasa a través de la membrana, el permeato, contiene niveles reducidos de solutos,

Concentración

455

Figura 31.–Proceso típico de ósmosis inversa.

mientras que el material que no pasa a través de la membrana, el retentato, está concentrado en solutos. La fuerza que dirige el flujo de permeato es la diferencia de presión entre el diferencial de la presión de operación y de presión osmótica: J = Kw (∆P – ∆Π)

[5]

donde: J = caudal de permeato Kw = factor de permeabilidad de la membrana ∆P = diferencial de presión a través de la membrana ∆Π = diferencia en la presión osmótica entre la alimentación y el permeato El incremento del flujo de permeato a través de la membrana se consigue con la aplicación de presiones mayores a través de la membrana, menor presión osmótica en la alimentación y una membrana más permeable. Algunos pequeños solutos pasan también a través de membranas semipermeables y esto depende de la naturaleza de las aberturas (distribución de tamaño de poros) en la propia membrana. La cantidad de soluto que pasa a través de la membrana depende también del espesor de la membrana, de la temperatura y viscosidad del fluido. La fuerza que dirige el paso de las moléculas de soluto es la diferencia de concentración a través de la membrana. Se define como: Ns = Ks (Cf – Cp)

[6]

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Procesos de conservación de alimentos

donde: NS = caudal másico de permeato a través de la membrana KS = coeficiente de permeabilidad de la membrana Cf y Cp = concentraciones de soluto en la alimentación y permeato respectivamente La concentración de soluto en el permeato es generalmente muy pequeña, puesto que las membranas están diseñadas para que estas moléculas no pasen a su través, en las membranas perfectas, la concentración de soluto en el permeato debería ser cero. El parámetro de rechazo del soluto (R), se ha definido como la relación entre la cantidad de soluto que pasa a través de la membrana dividido por la concentración en la alimentación inicial. Es decir: R=

Cf _ Cp Cf

El coeficiente de rechazo depende de la permeabilidad de la membrana y de la selectividad a diferentes moléculas, y puede ser distinto para cada soluto contenido en la mezcla compleja que se somete a ósmosis inversa. Generalmente los coeficientes de rechazo para muchas membranas de ósmosis inversa están alrededor de 0,9. 4.4.1.1. Polarización de concentración Una de las consecuencias de la permeabilidad selectiva de las membranas, es que las moléculas que no pasan a través de ellas comienzan a acumularse en el lado de la alimentación. El soluto que es rechazado se acumula en una capa límite delgada en la superficie de la membrana (figura 32). Este es un pro-

Figura 32.–Polarización de concentración en operaciones de membrana.

Concentración

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blema común en todos los procesos de filtración, incluyendo la ósmosis inversa y la ultrafiltración. La formación de una capa de depósito se puede explicar como sigue: • Las grandes moléculas (por ejemplo: proteínas y grasas) se transportan por convección hacia la membrana de forma perpendicular a la dirección del flujo. • Un gradiente de concentración provoca una retrodifusión, o difusión en sentido contrario al flujo, de permeato. • Paralelamente a la membrana, las proteínas presentes en la capa cercana a la membrana se mueven a velocidades que varían con el incremento de velocidad de flujo axial. • El efecto de polarización no está uniformemente distribuido a lo largo de la membrana, especialmente cuando la pérdida de carga da lugar a una presión transmembranar diferente a lo largo de la superficie de la membrana. Por esta razón, el extremo de entrada a la membrana es el que se colmata antes. La polarización se extiende gradualmente sobre toda la superficie, reduciéndose la capacidad y eventualmente haciendo necesaria la parada y limpieza de la planta. • El efecto principal de la polarización es que la eliminación de permeato decrece a medida que se desarrolla la filtración. • El efecto de polarización se puede reducir en ciertos casos por medio de retro-enjuagado. Las consecuencias de esta polarización de concentración son muchas. La diferencia de presión osmótica efectiva a través de la membrana se incrementa enormemente, debido a la capa de polarización de concentración, esto influye negativamente sobre el flujo de solvente a través de la membrana, tal como se deduce de la ecuación (5). La fuerza que dirige la presión, para una presión aplicada dada (∆P) se reduce, haciéndolo también el flujo de solvente. Además, el flujo de soluto aumenta, puesto que la fuerza que dirige la concentración para el soluto a través de la membrana se incrementa, de acuerdo con la ecuación (6). Sin embargo, lo más importante es que este incremento de concentración lleva con frecuencia a la formación de incrustaciones en la superficie de la membrana. Cuando la concentración en esta capa de polarización excede la concentración de solubilidad de la sal, precipita y forma más capa sólida y esta capa reduce la permeabilidad. Así pues, el principal efecto de la concentración de polarización es la reducción del flujo de permeato efectivo a través de la membrana, disminuyendo la eficiencia de la operación. Las técnicas para reducir esta polarización son con frecuencia críticas para el éxito de la operación de separación por membrana. En primer lugar, el líquido de alimentación debe estar lo más limpio posible de sólidos insolubles, por ejemplo, para la concentración de zumo de naranja por ósmosis inversa se requiere una filtración inicial para eliminar la pulpa.

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4.4.1.2. Flujo en ósmosis inversa Hay varios factores que influyen sobre el ritmo al cual pasa un material a través de la membrana, entre ellos hay que destacar: 1. Presión transmembrana (∆P): De acuerdo con la ecuación (5), la aplicación de altas presiones (∆P) produce un mayor flujo de permeato, para una diferencia de presión osmótica constante. Las limitaciones de presión sobre la membrana restringen las máximas caídas de presión a través de la membrana. 2. Tipo de material de alimentación: La naturaleza de los constituyentes de la alimentación influye de diferentes formas sobre el flujo de permeato. En primer lugar, el tipo de solutos presentes define la presión osmótica de la alimentación. También, ciertos solutos pueden tener diferente permeabilidad en la membrana y en consecuencia una pequeña presión osmótica en el permeato. Esta diferencia de presión osmótica entre alimentación y permeato también afecta al flujo de permeato, como indica la ecuación (5). Altas concentraciones de sustancias de bajo peso molecular (azúcares, sales, etc.) producen presiones osmóticas elevadas y bajos flujos de permeato. 3. Temperatura: La operación a temperatura alta incrementa el flujo de permeato en ósmosis inversa, temperaturas altas dan bajas viscosidades y reducen la polarización de concentración. Sin embargo, altas temperaturas también producen generalmente aumento en el flujo de soluto, reduciendo el coeficiente de rechazo de la membrana. A temperatura alta se puede dañar la membrana. 4. Concentración de la alimentación: El nivel de solutos solubles en la alimentación influye sobre la presión osmótica, como se ha dicho antes, pero también otros factores son importantes en la determinación del flujo de permeato. Así, una alta concentración en la alimentación normalmente significa un alto grado de polarización de concentración, que tiene una influencia negativa sobre el flujo de permeato, concentraciones altas en la alimentación significan generalmente viscosidades altas y, en consecuencia, un mayor desarrollo de la polarización de concentración. 5. Velocidad de flujo de alimentación: la velocidad y propiedades de flujo bajo las cuales la alimentación entra en el módulo de membrana desempeña un importante papel en el flujo de permeato. En general, las condiciones que llevan a velocidades altas y a un elevado nivel de turbulencia inducida llevan a un mayor flujo de permeato. Las capas de polarización de concentración se minimizan bajo estas condiciones de flujo. 4.4.2. Ultrafiltración La ultrafiltración difiere significativamente de la ósmosis inversa, particularmente en el tipo de material que debe pasar a través de la membrana. En la ultrafiltración, se utilizan membranas de alta permeabilidad que permiten el paso de

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pequeñas moléculas y retienen las grandes (figura 33). La permeabilidad en una membrana de ultrafiltración depende del tamaño de poro medio en la membrana, espesor de la misma y porosidad de la membrana. Normalmente en la ultrafiltración se retienen las grandes moléculas tales como proteínas o hidratos de carbono complejos, y los azúcares disueltos y las sales pasan sin problemas. Controlando el peso molecular de corte para el paso a través de la membrana la ultrafiltración se puede utilizar para fraccionar selectivamente grandes moléculas por su tamaño. Existen membranas disponibles con tamaños específicos de peso molecular de corte, que pueden oscilar entre unos pocos miles hasta 20.000 Daltons, entre las cuales se debe seleccionar en función del tipo de producto a separar por ultrafiltración.

Figura 33.–Representación esquemática del proceso de ultrafiltración.

4.4.2.1. Flujo en ultrafiltración El flujo a través de una membrana de ultrafiltración depende de varios parámetros, entre ellos el más importante es el diferencial de presión aplicada a través de la membrana. En general, las moléculas pequeñas pasan directamente, debido a que no hay que vencer una presión osmótica durante la ultrafiltración. La presión aplicada simplemente se traduce en flujo de solutos a través de la membrana, como en la filtración. Las presiones aplicadas, normalmente, son significativamente más bajas en ultrafiltración que en ósmosis inversa, con presiones entre 35 a 1.000 kPa. Sin embargo, el flujo no continua aumentando cuando se incrementa la presión aplicada. Si se representa gráficamente la presión aplicada con respecto al caudal de permeato (gráfica 2) se aprecian dos regiones. En la zona de bajas presiones, el caudal de permeato se incrementa de forma casi lineal con el aumento de la presión aplicada. Se llama a este tramo región de presión controlada. Esta relación puede ser expresada así: K ∆P J= µ

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donde: J = caudal de permeato K = permeabilidad de la membrana ∆P = diferencia de presión aplicada µ = viscosidad de la alimentación Esta relación se aplica en general cuando: la diferencia de presión aplicada es baja, la concentración de la alimentación es baja y cuando la velocidad de la alimentación es alta.

Gráfica 2.–Relación de flujo con respecto a la presión aplicada en ultrafiltración.

A un diferencial de presión aplicada alto, el flujo llega a ser independiente de la presión y depende sólo de la diferencia de concentración a través de la membrana. A este tramo se le llama región de flujo de permeato de transferencia de masa controlada. En este caso, se puede estimar el flujo con la expresión siguiente: CG J = k 1n CB

( )

Donde, k es el coeficiente de transferencia que define el ritmo al cual el material se mueve desde una región de alta concentración (CG) a una región de concentración baja (CB). En este caso, CG y CB representan concentraciones de especies que no pasan a través de la membrana, en la superficie de la membrana y en la masa de la alimentación, respectivamente. En región de transferencia de masa controlada, el flujo a través de la membrana está limitado por cómo el soluto rechazado puede contra-difundirse lejos de la membrana. Aquí, la capa de polarización de concentración, formada por los solutos rechazados, controla la velocidad de flujo de permeato a través de la membrana.

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En general, los mismos parámetros que influyen sobre el flujo de permeato en ósmosis inversa se pueden aplicar a la ultrafiltración. Estos factores son: presión aplicada, naturaleza del material de alimentación, temperatura de operación, concentración de la alimentación, y la proporción de flujo de la alimentación a través de la membrana. 4.5. SISTEMAS DE MEMBRANA 4.5.1. Materiales Acetato de celulosa: Las primeras membranas comerciales para ósmosis inversa y ultrafiltración estaban hechas de acetato de celulosa. Este tipo de membranas proporcionaban una alto flujo de permeato y un buen rechazo de sales y eran fáciles de comercializar. Sin embargo, el acetato de celulosa se daña a altas temperaturas, es sensible al pH (solo puede trabajar entre pH 3 y 6) y se daña también por los iones Cl–. Dado que los detergentes y sanitizantes comúnmente empleados en la industria alimentaria son a base de cloro, la sensibilidad de las membranas de acetato de celulosa a este ión ha causado importantes problemas en la limpieza y desinfección en las operaciones de membranas. Polímeros: Recientemente, las membranas de polímeros hechas de poliamidas y polisulfonas han ocupado el puesto del acetato de celulosa, al menos para la ultrafiltración. Las poliamidas proporcionan una resistencia al pH ligeramente mejor que la del acetato de celulosa pero son ligeramente más sensibles al cloro. Las polisulfonas representan una buena alternativa, pueden resistir temperaturas altas (más de 75ºC), trabajan a un amplio rango de pH (de 1 a 13) y presentan una resistencia razonable al cloro (más de 50 ppm de cloro). Son también fáciles de fabricar y se pueden producir con un amplio rango de peso molecular de corte de tamaño de poro para ultrafiltración. Sin embargo, esta membranas no resisten las altas presiones y se utilizan casi exclusivamente para ultrafiltración. Membranas compuestas o de cerámica: Tradicionalmente estas membranas están hechas de carbón poroso, óxido de circonio o de aluminio, aunque se puede utilizar una amplia gama de materiales. Debido a la naturaleza inerte de los materiales compuestos, estas membranas presentan un amplio rango de condiciones de operación (temperatura, pH). Son también resistentes al ataque de cloro y se limpian con facilidad. Pero estas membranas compuestas son todavía bastante caras y su disponibilidad es aún limitada, sin embargo con el desarrollo de la tecnología pueden representar un importante impacto en el futuro de la separación en alimentos. 4.5.2. Módulos o cartuchos Las membranas pueden ser empacadas de muchas formas para proporcionar diferentes opciones para la separación. En la tabla 3 se indican las configuraciones que habitualmente se utilizan.

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Procesos de conservación de alimentos Tabla 3. Configuraciones más habituales de los módulos de membranas Diseño

Aplicación típica

Láminas enrolladas en espiral

OI, NF, UF

Placas y bastidor

UF, OI

Tubular, basado en polímeros

UF, OI

Tubular, basado en cerámica

MF, UF

Fibra hueca

UF

OI: ósmosis inversa UF: ultrafiltración

NF: nanofiltración MF: microfiltración

4.5.2.1. Diseño de placas y bastidor Estos sistemas constan de membranas empaquetadas entre placas soporte, que se disponen en paquetes, de forma similar a los intercambiadores de calor de placas. El producto a tratar se fuerza a pasar a través de unos canales muy estrechos que se pueden disponer para conseguir un flujo en paralelo o una combinación de canales con flujo en paralelo y en serie. En la figura 34 se indica un diseño típico de este tipo.

Figura 34.–Esquema de un diseño de placas y bastidor.

Un módulo se divide normalmente en secciones donde el flujo entre pares de membranas es en paralelo. Las secciones se separan por medio de placas soporte de membranas especiales en las cuales uno de los orificios se cierra

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con un disco de cierre para invertir la dirección de flujo, consiguiendo un flujo en serie entre las sucesivas secciones. Los módulos están disponibles en distintos tamaños. Los materiales de la membrana son, normalmente, polímeros. 4.5.2.2. Diseño tubular: a base de polímeros En este diseño, la membrana cilíndrica y el sistema de soporte se colocan en el interior de un tubo más largo (figura 35). La alimentación se bombea hasta el centro del tubo bajo presión, el permeato pasa a través del sistema y se recoge fuera del tubo. El retentato pasa directamente a través de la membrana y se elimina por el lado opuesto a la alimentación.

Figura 35.–Esquema de un módulo tubular.

Debido a su relativamente sencillo diseño, los sistemas de membranas tubulares son bastante fáciles de limpiar y de cambiar, y pueden manejar líquidos con partículas. Se puede aumentar la separación incrementando el caudal de alimentación y las presiones aplicadas. Sin embargo, este diseño proporciona una superficie de membrana comparativamente baja, por lo que los sistemas de membrana tubulares deben ser extremadamente largos para proporcionar una superficie suficiente para la concentración. 4.5.2.3. Diseño enrollado en espiral Una forma simple para conseguir una elevada superficie de membrana en un espacio pequeño es el diseño enrollado en espiral. Un elemento enrollado en espiral contiene una o más membranas, cada una de las cuales tiene dos capas de membrana separadas por un material poroso que conduce al permeato. Este último material, denominado canal espaciador de permeato, permite

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que fluya libremente a través de la membrana, en la figura 36 se representa un esquema de esta configuración. La alimentación se distribuye cuidadosamente en los canales apropiados por un extremo del rollo, el permeato pasa a través de la membrana y sigue su camino a lo largo de la espiral hasta el tubo colector en el centro del rollo. El permeato y el retentato salen por el extremo opuesto al de la alimentación.

Figura 36.–Configuración de un módulo en espiral.

La ventaja principal de los cartuchos de membrana en espiral es la alta superficie disponible para bajos requerimientos de espacio. El diseño en malla de los espaciadores hace que actúen también como generadores de turbulencia, para mantener la membrana limpia aunque se manejen velocidades relativamente bajas, con lo cual se reduce la polarización de concentración. Sin embargo, sólo se pueden utilizar caudales bajos y bajas caídas de presión por la naturaleza compleja del flujo. Son difíciles de limpiar . 4.5.2.4. Diseño de fibra hueca Los módulos de fibra hueca son cartuchos que contienen haces de 45 a más de 3.000 elementos de fibra hueca. Las fibras se orientan en paralelo. Todas tienen sus extremos empotrados en una resina y están encerradas en el tubo colector de permeato, que está construido de resina epoxy.

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La membrana tiene un diámetro interior que oscila entre 0,5 y 2,7 mm, y la superficie activa de la membrana está en el lado interior de la fibra hueca. La cara exterior de la pared de fibra hueca, a diferencia de la pared interior, tiene una estructura rugosa y actúa como estructura soporte de la membrana. La corriente de alimentación fluye a través de la cara interior de estas fibras, y el permeato se recoge en el exterior y se elimina en la parte superior del tubo (figura 37).

Figura 37.–Esquema de configuración de fibra hueca.

Una característica especial de este diseño de fibra hueca es la capacidad de enjuagado con flujo de agua a través de la membrana, en sentido contrario al paso normal de permeato. Esto es especialmente interesante en la limpieza, pero también se utiliza con permeato recirculado a través de la conexión de permeato más exterior, para eliminar depósitos de producto que se encuentran sobre la superficie de la membrana. El material de la membrana está constituido por polímeros. 4.6. CALIDAD DE LOS ALIMENTOS EN LAS SEPARACIONES POR MEMBRANA Una de las principales ventajas de los separaciones por membrana es que los cambios de calidad que se producen son mínimos. Dado que las operaciones de membranas generalmente se realizan a temperaturas reducidas (