Conservación de Los Alimentos Capitulo 1

 Edición: Lic. Deborah Prats López  Diseño de cubierta: Leonardo Fernández del Río  Diseño interior : Majela Pérez Martínez  Diagramación: Fanny Silva Martínez Corrección : Verónica Verónica Morales Velásque Velásquezz

© Raúl Díaz Torres, 2009 © Sobre la presente edición: Editorial Editoria l Félix Varela, 2009

ISBN 978-959-07-1293-7 978-959-07-1293-7

Editorial Félix Varela Calle A No. 703, esq. a 29, Vedado, La Habana, Cuba.

Índice

Introducción / 1 Deterioro de los alimentos  / 4

1.1 FACTORES QUE INCIDEN EN EL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS / 4 1.1.1 Efecto de la temperatura / 9 1.1.2 Efecto de la concentración / 11 1.1.3 Efecto de la aw y la humedad / 12 1.1.4 Efecto del oxígeno / 14 1.1.4.1 Factores que afectan la velocidad de oxidación/ 14 1.2 VIDA DE ANAQUEL / 15 1.2.1 Estimación de la vida de anaquel / 25 1.2.2 Alimentos de baja humedad cuyo deterioro se debe a los cambios ocurridos por la ganancia de humedad / 27 1.2.3 Alimentos cuyo deterioro se debe a los cambios ocurridos por la oxidación lipídica / 37 1.2.3.1 Alimentos con menos de 2,5 % de grasa / 37 1.2.3.2 Alimentos entre 2,5 y 10 % de grasa / 37 1.2.3.3 Alimentos con más de 10 % de grasa / 37 1.2.4 Alimentos cuyo deterioro se debe a los cambios ocurridos durante el almacenamiento en congelación / 37 1.2.5 Alimentos enlatados cuyo deterioro se debe a los cambios ocu-rridos en el interior del envase durante el almacenamiento /39 Envases para alimentos / 44 III

2.1 CLASIFICACIÓN Y FUNCIONES DE LOS ENVASES / 44 2.1.1 Clasificación de los envases / 45 2.1.2 Funciones de los envases / 48 2.2 TIPOS DE ENVASES / 52 2.2.1 Envases metálicos / 52 2.2.1.1 Envases de hojalata / 52 2.2.1.2 Acero libre de estaño / 62 2.2.1.3 Aluminio / 63 2.2.1.4 Fabricación del envase metálico / 64 2.2.2 Envases de vidrio / 70 2.2.3 Envases plásticos / 75 2.2.3.1 Propiedades mecánicas / 76 2.2.3.2 Propiedades ópticas / 77 2.2.3.3 Propiedades térmicas / 77 2.2.3.4 Propiedades de transporte / 78 2.2.4 Envases a partir de materiales celulósicos / 86 2.3 ENVASADO ACTIVO E INTELIGENTE / 92 2.3.1 Nuevas tendencias / 92 2.3.2 Envases activos / 93 2.3.3 Envases inteligentes / 95 Conservación de alimentos por temperaturas reducidas  / 98

3.1 ORÍGENES DE LA REFRIGERACIÓN / 98 3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS POR TEMPERATURAS REDUCIDAS / 99 3.2.1 Metabolismo celular / 100 3.2.2 Actividad enzimática / 100 3.2.3 Ataque de microorganismos / 101 3.2.4 Efecto de la temperatura / 103 3.2.5 Refrigeración y congelación / 105 3.2.5.1 Ciclo de refrigeración / 107 3.2.5.2 Características deseables en los refrigerantes/ 111 3.3 CAPACIDAD DE REFRIGERACIÓN / 116 3.3.1 Cálculo de la capacidad de refrigeración / 118 3.4 FACTORES TECNOLÓGICOS QUE AFECTAN EL ALMACENAMIENTO A BAJAS TEMPERATURAS / 132 3.4.1 Temperatura de almacenamiento / 132 3.4.2 Humedad relativa de almacenamiento / 133 3.4.3 Circulación de aire en la cámara / 134 3.4.4 Grado de ocupación de la cámara / 136 3.4.5 Incompatibilidad entre productos / 136 3.4.6 Preenfriamiento / 137 IV

3.4.7 Atmósferas modificadas / 140 3.4.8 Almacenamiento en la cámara / 142 3.5 CONGELACIÓN DE ALIMENTOS / 143 3.5.1 Expansión del agua / 147 3.5.2 Cambios en el medio celular / 147 3.5.3 Recristalización / 148 3.5.4 Sistemas de congelación de alimentos / 149 3.5.5 Descongelación / 150 3.6 OTRAS TABLAS DE INTERÉS PARA LOS CÁLCULOS / 152 Conservación de alimentos por control de su actividad de agua/ 184

4.1

ASPECTOS GENERALES SOBRE LA ACTIVIDAD DE AGUA / 184

4.1.1 El agua en los alimentos / 184 4.1.2 Actividad de agua / 185 4.1.3 Predicción de la actividad de agua / 192 4.1.4 Influencia de la actividad del agua sobre las reacciones de deterioro / 196 4.1.5 Influencia de la actividad de agua sobre las reacciones de deterioro causadas por microorganismos / 202 4.1.6 Influencia de la actividad de agua sobre las reacciones de deterioro sensorial de los alimentos / 204 4.2 CONCENTRACIÓN DE ALIMENTOS / 205 4.2.1 Concentración por congelación / 206 4.2.2 Ósmosis inversa / 211 4.2.3 Evaporación / 219 4.3 ALIMENTOS DESHIDRATADOS / 241 4.4 MÉTODOS COMBINADOS / 262 Conservación por tratamiento térmico  / 271

5.1 LOS INICIOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO / 271 5.2 PASTEURIZACIÓN Y ESTERILIZACIÓN / 273 5.2.1 Intensidad del tratamiento térmico / 274 5.2.2 Pasteurización / 275 5.3 EVALUACIÓN DE LA INTENSIDAD DEL TRATAMIENTO TÉRMICO / 287 5.3.1 Método de Patashnik / 287 5.3.2 Método general / 294 5.3.3 Método gráfico / 294 5.3.4 Método de la fórmula / 296 5.4 ELABORACIÓN DE CONSERVAS ALIMENTICIAS / 299 V

5.4.1 Método Appert / 299 5.4.2 Esterilización discontinua en autoclave / 302 5.4.3 Esterilización continua / 304 5.4.3.1 Producto dentro del envase / 304 5.4.3.2 Producto fuera del envase (métodos de alta temperatura y corto tiempo) / 306 5.2.3 Envasado aséptico / 308 Radiaciones ionizantes / 312

6.1 ANTECEDENTES / 312 6.2 ASPECTOS TÉCNICOS / 315 6.2.1 Dosimetría / 315 6.2.2 Objetivos de las radiaciones ionizantes / 316 6.3 ASPECTOS SANITARIOS / 320 6.4 ACEPTACIÓN POR LOS CONSUMIDORES / 323 6.5 PLANTA DE IRRADIACIÓN / 323 6.6 IDENTIFICACIÓN DE ALIMENTOS IRRADIADOS / 326  Anexos / 328 Bibliografía / 345

VI

Los alimentos son esenciales para el crecimiento y desarrollo del hombre, pues constituyen la fuente tanto de su energía como de su reposición de tejidos. Por tal motivo, la conservación de los alimentos es tan antigua como la historia de la humanidad y mucho tuvo que ver en la transformación del hombre cazador (hombre nómada) en hombre agricultor. Desde los inicios, los hombres se vieron ante la disyuntiva de poseer momentáneamente una abundancia relativa de alimentos (recién terminada la caza o la recolección) y enfrentar en cambio periodos posteriores de penuria. Aun cuando la domesticación de animales de granja mejoró esta situación, creó a la vez una nueva arista del problema: la necesidad de transformar y conservar los alimentos obtenidos por este medio. La necesidad de preservar los alimentos surge entonces como respuesta a esta situación de uctuación en la disponibilidad, aun

cuando en los inicios se realiza de forma empírica, sin el más mínimo conocimiento de los mecanismos de deterioro o de la forma de acción de los medios de preservación. En los países fríos, por ejemplo, el hombre primitivo observa que la carne enterrada en el hielo se conserva durante cierto tiempo y puede ser aprovechada para su consumo posterior. Igualmente la observación empírica permite comprobar que la adición de sal común o de sal de nitro, el ahumado, la fermentación, la deshidratación solar o ciertos tratamientos térmicos, prolongan la vida útil de los alimentos. Con el desarrollo de la sociedad, la conservación de alimentos va evolucionando en cuanto a alcance y objetivos, y se convierte además de una necesidad de subsistencia en un medio de creación de nuevos productos  y en una herramienta del comercio entre regiones, llámese entre provincias, departamentos, países o continentes, pero también en una

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herramienta del mercadeo que basa su oferta en la atracción sensorial tanto o más que en la preservación del valor nutrimental.  Aunque ahora sabemos que el deterioro de los alimentos es un problema multifactorial, en el que no solo se implican los problemas de tipo higiénico sanitarios, en un principio el deterioro se asociaba a los resultados de la acción de los microorganismos capaces de generar olores o sabores pútridos o al menos anómalos en los productos (por ejemplo los correspondientes al rompimiento de los puentes disulfuro en las proteínas cárnicas o la acidicación de los productos cárnicos bajo la acción de la microora ácido láctica) o afectar su apariencia

(por ejemplo la aparición visible de moho en el pan o el queso), aun cuando los mecanismos por los cuales estos sucesos tienen lugar, fueran totalmente desconocidos.

Desde el punto de vista del conocimiento de los fenómenos asociados al deterioro, los trabajos de Louis Pasteur son los que demuestran la presencia en los alimentos de microorganismos capaces de causar el deterioro y sientan por ende las bases cientícas de los procesos de

preservación. Pero junto a esto el avance de la tecnología permite aplicar de forma industrial los conocimientos empíricos previamente adquiridos. Los trabajos de conservación de alimentos esterilizados de Nicolás  Appert, el transporte de pescado congelado utilizando una mezcla de hielo y sal, y el desarrollo posterior de los sistemas de refrigeración, a partir de la invención de los compresores (originalmente para ser empleados en la industria cervecera), el desarrollo de tecnologías para la obtención de polímeros sintéticos que constituyen la base de un creciente porcentaje de los envases actualmente presentes en el mercado de alimentos o los aportes de la física teórica al conocimiento de la materia y en particular de las radiaciones, son algunos ejemplos de la evolución experimentada por las ciencias relacionadas directa o indirectamente con las técnicas de conservación de alimentos, a lo largo del desarrollo de la humanidad.

No obstante, las técnicas de conservación de alimentos siguen teniendo como primer objetivo la preservación de la calidad higiénica sanitaria de los productos, aunque sin perder de vista aspectos tan importantes como la preservación de su valor nutricional, o de su calidad sensorial.  Así las principales técnicas de conservación de los alimentos pueden ser agrupadas de acuerdo con el objetivo higiénico sanitario que persiguen, de la siguiente manera:

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• Métodos destinados a reducir o inhibir el crecimiento micro-

biano • Métodos destinados a inactivar los microorganismos • Métodos destinados a restringir el acceso de los microorganismos Entre los métodos destinados a reducir o inhibir el crecimiento microbiano, se encuentran la reducción de temperatura (almacenamiento en refrigeración o congelación), la reducción de la aw o la elevación de

la osmolaridad (secado, liolización, deshidratación osmótica, curado y

salado, adición de solutos), la restricción de nutrimentos (por ejemplo por emulsicación) disminuir la disponibilidad de oxigeno (envasado al  vacío, uso de atmósferas modicadas o controladas), la acidicación,

el uso de alcohol o de preservantes químicos (sorbatos, benzoatos) o biológicos (bacteriocinas). Por su parte, entre los métodos destinados a la inactivacion de los microorganismos, tenemos el empleo de los tratamientos térmicos (pasteurización, esterilización), de radiaciones (principalmente ionizantes) y el uso de métodos no térmicos como las altas presiones, los pulsos de luz, etc. Por último, para la restricción del acceso de los microorganismos, se emplean técnicas como el procesamiento aséptico y la descontaminación de ingredientes y del material de envase.

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1.1 FACTORES QUE INCIDEN EN EL DETERIORO DE LOS ALIMENTOS ¿Qué es un alimento? Desde el punto de vista de su conservación, un alimento puede ser considerado como una mezcla más o menos compleja de cuatro constituyentes principales (carbohidratos, proteína, grasa y agua) más otros constituyentes minoritarios (vitaminas y minerales). Las interrelaciones que se establecen entre estos componentes (tanto físicas como químicas), constituyen lo que denominamos calidad. El objetivo fundamental de la conservación de alimentos es llevar el producto desde la producción hasta el consumidor con la mayor calidad posible, con un costo razonable. El conjunto de los atributos del alimento, una vez procesado (y esto incluye el envasado), denirá su calidad.

Pero, ¿qué entendemos por calidad? Calidad no es ni una palabra cientíca ni una palabra técnica, sino un

concepto muy útil en administración. En ventas y mercadeo es utilizada para crear una imagen en la mente de las personas sin que se especique lo

que realmente se quiere decir con esta palabra; por ejemplo, en alimentos son usadas las palabras “fresco o frescura” y son probablemente las palabras más incorrectamente utilizadas en esta rama, debido a que posiblemente se cumpla con ese requisito y sin embargo no se satisfagan las expectativas del consumidor.

Una buena denición de este término la da a conocer el sistema de gestión de la calidad de la norma ISO 9000:2000: “el grado en que un conjunto de características inherentes cumple con los requisitos”.

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Se entiende como característica “un rango diferenciador (física, sensorial, de tiempo, funcional, etc)”  y como requisito “necesidad o expectativa establecida, generalmente implícita u obligatoria”.

Por tanto, resulta evidente que para hablar de calidad de los alimentos debemos partir de las expectativas que tienen los consumidores respecto a estos. De forma resumida, se puede apuntar que el consumidor espera que el alimento tenga como características imprescindibles lo agradable, nutritivo, seguro (inocuo), de un costo aceptable y apropiado para el uso prescrito, aun cuando en ocasiones se sacriquen algunas de

estas características para priorizar otras, como ocurre con los llamados “alimentos chatarra” que pese a poseer un bajo valor nutricional, presentan alta aceptación, sobre todo en determinados segmentos de mercado, como niños y adolescentes. En resumen, un sistema alimento-envase será formulado para cumplir en mayor o menor grado con todas o algunas de estas expectativas. Pero no basta con que estas sean cubiertas en el producto recién elaborado, pues, durante su conservación, los productos alimenticios

sufren mayores o menores modicaciones, tanto en su composición y

aspectos físicos, como en los aspectos sanitarios y nutricionales, que conducen a cambios en su calidad. Según las condiciones, estos cambios pueden llegar a ser tan profundos, que el producto debe ser total o parcialmente rechazado. La velocidad y el carácter de estos procesos de deterioro dependen de la composición del producto y de las condiciones de almacenamiento (factores de composición y factores ambientales)  y puede ser disminuida con la aplicación correcta de las técnicas de C = factor de calidad  dC =  f Ei , F j  dt

±

(

)

 dC = velocidad de deterioro  dt

donde: ±

 Ei = factores ambientales (i=1...n)  F  j = factores de composición ( j=1...n)

conservación y almacenamiento, pero no puede ser evitada. Así, puede plantearse que:

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Donde el signo más-menos nos indica que el valor numérico que hayamos seleccionado para estimar el grado de deterioro del producto puede aumentar o disminuir (por ejemplo en el caso del contenido  vitamínico se trata de una disminución, mientras que en el caso de la contaminación metálica, ocurre un incremento), pero en todos los casos la calidad disminuye. De forma abreviada, y tomando en consideración la complejidad de los sistemas alimenticios, podría plantearse que la pérdida de calidad puede ser representada en la práctica o por la pérdida de un elemento deseable (por ejemplo nutrientes, sabor o textura característicos) o por la formación de un elemento indeseable (por ejemplo la aparición  dC =  k(C ) n  dt

±

de sabores extraños, decoloración) o por una combinación de ambos efectos que puede estar dado para cada caso por una o más reacciones.  Así la velocidad de deterioro puede representarse desde el punto de  vista cinético, con la siguiente expresión: Donde C  es un factor de calidad que puede ser cuanticado (físico, químico, microbiológico o sensorial), dependiendo del sistema particular estudiado, mientras que k es una constante de velocidad de reacción aparente y n el orden de esa reacción. Esto no quiere decir que se trate Tabla 1.1 Expresiones de utilidad para evaluar el orden aparente de reacción

de un mecanismo de reacción verdadero y por tanto tampoco n será un orden de reacción verdadero sino más bien un orden aparente o seudo orden. La determinación de estos parámetros se realiza ajustando los datos obtenidos a diferentes formas grácas, hasta obtener la recta de

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mejor ajuste. Así para órdenes posibles diferentes tendremos como se aprecia en la tabla 1.1, las siguientes expresiones:

Fig 1.1 Determinación de la vida de anaquel para una reacción de deterioro de seudo orden cero

En las que el subíndice 0 representa el tiempo cero y el subíndice t representa el nal de la vida de anaquel.  Así por ejemplo, para una reacción de seudo orden cero, basta gracar el valor del factor de calidad C  a diferentes tiempos, para hallar la constante de velocidad de reacción aparente y con esto determinar t, como se aprecia en la gura 1.1

Tabla 1.2 Principales reacciones de pérdida de calidad

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 Algunos ejemplos de reacciones de seudo orden cero pueden ser la

pérdida de calidad global de los alimentos congelados y el pardeamiento no enzimático; mientras que como ejemplos de reacciones de seudo primer orden podemos citar la pérdida de vitamina, el crecimiento y la muerte microbianas, cambios oxidativos de color y la pérdida de textura durante el procesamiento térmico. Las tablas 1.2 y 1.3 presentan un resumen de las principales reacciones de la pérdida de calidad de los alimentos y sus posibles consecuencias. Tabla 1.3 Consecuencias de la pérdida de calidad Los mecanismos por los cuales los alimentos se alteran pueden ser: •  Acción de organismos vivos •  Actividad biológica propia del alimento y/o procesos químicos

del entorno Pardeamiento enzimático Pardeamiento no enzimático Oxidación de lípidos Desnaturalización de proteínas Hidrólisis de polisacáridos o lípidos

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Degradación o transformación de pigmentos Contaminación por residuos •  Acciones físicas del entorno (impactos y daños físicos como magulladuras, cortes, etc.) •  Acción de la temperatura •  Acción de la luz y radiaciones Los cambios no deseados pueden ser de diferente naturaleza, asociándose a problemas sensoriales, nutricionales u otros. Por ejemplo: Textura: Pérdida de solubilidad Pérdida de Capacidad de Retención de Agua (C.R.A). Endurecimiento / reblandecimiento Pérdida de turgencia Fragilización Color: Envejecimiento / blanqueado Desarrollo de colores extraños Olor y sabor: Rancidez, sabor a cocido, a caramelo Sabores y olores extraños Valor nutritivo: Pérdida de nutrientes Higiénicos: Alteración microbiana, residuos tóxicos Dentro de los factores de composición es necesario tomar en cuenta la naturaleza del alimento y en particular la sensibilidad a la humedad  y al oxígeno, y cómo esta sensibilidad es afectada por la temperatura, humedad, acidez iónica y acidez titulable, potencial redox, actividad química y enzimática, actividad microbiana, presencia de aditivos y conservadores, composición, propiedades físicas.

Dentro de las condiciones ambientales deben considerarse aquellas que el alimento va a encontrar durante su distribución, así como el tiempo que va a estar expuesto a ellas y los factores de envasado (tipo de envase,  k = k o e

− E A

 RT 

donde: k = Constante de velocidad de la reacción de deterioro

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 k o =

Constante (independiente de la temperatura)

 E A = Energía de activación [f (a w, pH, H,

sólidos,...)]

 R = Constante de los gases ideales T  =

Temperatura absoluta

propiedades y área de éste —sobre todo para el caso de los envases permeables—, y manipulación de componentes).  Algunos efectos típicos de la acción del oxígeno y la humedad son la pérdida de crujencia en bizcochos, galletas, papas fritas, aparición de grumos en sal o azúcar, el crecimiento de moho en quesos o productos cárnicos y la rancidez de alimentos ricos en grasa como mantequilla o margarina, por ejemplo. Todos estos cambios son acelerados por la temperatura. 1.1.1 Efecto de la temperatura

El efecto de la temperatura puede ser evaluado a través de la ecuación de Arrhenius o empleando el coeciente Q10 Si para todos los demás factores constantes, gracamos tiempo (t) para

alcanzar un determinado nivel de deterioro a una temperatura dada (T), encontramos que existirá una curva para cada reacción típica de deterioro en la que toda la región encontrada entre la curva y el eje

de las temperaturas representa la región de aceptación del producto y

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por ende el resto es la región de rechazo.

Q10 =

 kT  + 10  kT 

Pero como cada curva representa el deterioro de una propiedad diferente, entonces las combinaciones adecuadas son aquellas que están por debajo de la línea de intersección de todas las curvas. Esto denirá una

región de aceptación y otra de rechazo, en la que la región de aceptación será aquella que se encuentre por debajo de la curva que representa el menor tiempo para una temperatura dada. ln Q10 =

 E A 10  R T (T  + 10)

Por ejemplo, si un alimento puede sufrir deterioro por varios mecanismos diferentes, que responden de forma también diferente a las variaciones de temperatura, las líneas que representan el comportamiento del tiempo frente a la temperatura se interceptarán en puntos diferentes, lo cual en la práctica signica que en diferentes rangos de temperatura se pueden tener reacciones críticas diferentes, como se muestra en la gura 1.2. Fig 1.2 Inuencia del rango de temperatura en la reacción crítica de deterioro

Tabla 1.4 Variación de Q10 en dependencia de E A  y de la temperatura

El factor Q10 representa una forma rápida de evaluar este efecto, pues es una relación entre las constantes de velocidad de reacción a dos  dCi = kC1 n1 C2 n2 ...C m m  dt

−

(i = l....m)

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temperaturas separadas entre sí: 10 oC, Este factor también puede expresarse en grados Fahrenheit. Por costumbre, en este caso se expresa como q10  y se puede demostrar que Q10 = (q10)1.8. El inconveniente es que Q10  puede cambiar a medida que varía la temperatura y por tanto su validez es solamente para un rango estrecho de temperatura. Obviamente debe existir una relación entre Q10 y E A  Como se desprende de lo anterior, los valores de Q10  son propios de cada producto, de acuerdo con su naturaleza y con su reacción típica de deterioro. Es frecuente encontrar que los valores de Q10 estén alrededor de 2 para muchas reacciones típicas de deterioro de los alimentos, aunque como es lógico, esto depende del valor de E A  y del  valor de la temperatura. En general, a un aumento de temperatura, le corresponde una disminución de Q10 y a un aumento de E A  le corresponde un incremento de Q10 como se muestra en la tabla 1.4 1.1.2 Efecto de la concentración

El efecto de la concentración puede ser expresada como: Ecuación que demuestra la interacción existente entre los diferentes componentes. Por ejemplo la tiamina es mucho más degradable cuando está unida a la proteína que en estado libre, lo que para otros nutrientes puede ser exactamente al revés. Otro efecto conocido es la relación entre el deterioro de dos nutrientes, por ejemplo el deterioro del ácido fólico es afectado por la presencia de vitamina C (ácido ascórbico), y en presencia

de riboavina, el ácido ascórbico y el ácido fólico son más sensitivos a la

luz. En cambio el β -caroteno protege a otros nutrientes de la luz.

Un ejemplo interesante de interacción entre factores es la degradación del ácido ascórbico, la que se incrementa al elevarse la temperatura, acomodándose muy bien a la ecuación de Arrhenius. Sin embargo, E A depende tanto de la actividad de agua (a w) como de la humedad, de manera tal que un aumento del contenido de humedad hace la reacción menos sensible a la temperatura. Por ejemplo, la pérdida de vitamina C en solución a pH alto tiende a ser una reacción muy sensible al oxígeno. La presión parcial de oxígeno afecta drásticamente la velocidad de descomposición del ácido ascórbico, mientras que en otros sistemas (por ejemplo, tomate en polvo) la velocidad de degradación es prácticamente independiente del oxígeno.

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En alimentos enlatados, la destrucción de la vitamina C se inicia de manera aerobia, y mientras mayor es el espacio de cabeza, mayor destrucción de la vitamina C, que es acelerada por el cobre que actúa como catalizador. Cuando no hay oxígeno, puede comenzar la descomposición anaerobia que es mucho más lenta y es acelerada por la fructosa y sus derivados, pero no por el Cu, aunque otros metales (como el Pb y Zn, bivalentes) sí lo hacen. La retención total de vitamina C, tomando en cuenta las pérdidas, en todas las etapas está entre 65 % – 95 %. 1.1.3 Efecto de la aw y la humedad

En general, variaciones de humedad (o mejor aún de a w) provocan cambios en la velocidad de reacción. La oxidación, el pardeamiento, o el crecimiento bacteriano son ejemplos clásicos de este fenómeno, que estudiaremos en detalle más adelante. Sin embargo, debe observarse que para diferentes reacciones de deterioro, el máximo de velocidad corresponde a valores diferentes de a w, lo que signica que un cambio de formulación, por ejemplo, puede signicar que cambie la reacción especíca de deterioro.

Existe una relación entre el valor de la a w  y el desarrollo de los microorganismos, que, independientemente de casos particulares, sigue los siguientes criterios:  Alimentos con a w de 0,98 o superior • Carnes y pescados frescos • Frutas, hortalizas, verduras frescas • Leche • Hortalizas en salmuera, enlatadas • Frutas en jarabes diluidos

En este rango de a w, crecen sin impedimento todos los microorganismos causantes de toxiinfecciones alimentarias.  Alimentos con a w entre 0,93 y 0,98 • Leche concentrada • Concentrado de tomate • Productos cárnicos y pescados ligeramente salados • Embutidos cocidos • Quesos de maduración corta

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• Frutas en almíbar

Crecen sin impedimento todos los microorganismos causantes de toxiinfecciones alimentarias en el valor 0,98  Alimentos con a w entre 0,85 y 0,93 • Embutidos fermentados y madurados • Jamón serrano • Leche condensada azucarada

Solamente pueden crecer en estos alimentos el Staphylococcus aureus y algunos hongos productores de micotoxinas  Alimentos con a w entre 0,60 y 0,85 •  Alimentos de humedad intermedia

• Frutas secas • Harina de cereales • Conturas, mermeladas, melazas • Pescado muy salado • Extractos de carnes  dC O2 =  dt k1 + k2 O2

−

• Quesos muy madurados • Nueces

No crecen en este intervalo los microorganismos patógenos, solo algunas especies de hongo  Alimentos con a w menor de 0,60 • Chocolate • Miel • Fideos, galletas • Verduras secas

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• Huevos y leche en polvo

En este intervalo no crece ningún tipo de microorganismo patógeno ni ambiental. 1.1.4 Efecto del oxígeno

Debido a su papel en el crecimiento de los microorganismos y en las reacciones de oxidación, el oxígeno en general es indeseado desde el punto de vista de conservación de los alimentos, aunque en las atmósferas modicadas no se excluye totalmente. La siguiente ecuación suele

explicar adecuadamente el mecanismo de acción de muchas reacciones en las que el oxígeno desempeña un importante papel.

Un ejemplo característico es el efecto de la concentración de oxígeno en la oxidación lipídica La oxidación de los lípidos insaturados es una reacción de radicales libres con un paso de inicio, una etapa de propagación y una etapa de terminación. La velocidad de la reacción es fuertemente afectada por factores ambientales y de composición. 1.1.4.1 Factores que afectan la velocidad de oxidación [O2 ]  R =  k1 + k2 [O2 ]

Estos factores serán diferentes según la etapa en que se encuentre la reacción. Por ejemplo: Inicio

• Concentración de hidroperóxido • Presencia de catalizadores • Radiaciones electromagnéticas (incluida la luz) • Iniciadores químicos (incluidos algunos productos de oxidación) Propagación

• Grado de insaturación. • Concentración local de oxígeno Terminación

• Concentración de antioxidantes

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 Además, la temperatura y a w son factores que inuyen en cada uno de los pasos. Debe señalarse que si la velocidad de iniciación es alta, la concentración de antioxidantes es rápidamente reducida a una velocidad igual a la velocidad de iniciación. Por tanto, si la velocidad de iniciación es alta, añadir antioxidantes puede ser sólo marginalmente efectivo en retardar la oxidación. La velocidad de la reacción Cuando  k2 [O2 ] es mucho menor que  k1 , la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de oxígeno, y si por el contrario  k2 [O2 ] es mucho mayor que  k1 , la velocidad de reacción se hace independiente de la concentración de oxígeno.

1.2 VIDA DE ANAQUEL Durante el almacenamiento ocurre el deterioro de los alimentos a través de diferentes procesos, como pueden ser: • Procesos físicos: evaporación de agua (con la consiguiente contracción y desecación de la supercie), cambios de coloración

 y alteraciones del aroma, debidos a la pérdida de volátiles. • Procesos químicos y bioquímicos: reacción de Maillard, autolisis de proteína, oxidación de grasas, maduración de frutas. •  Acción de microorganismos: tanto por rebasar límites aceptables desde el punto de vista higiénico, como por producir cambios organolépticos inaceptables. Resulta evidente entonces, que es necesario introducir el concepto de “vida de anaquel” (shelf life) el cual se dene como el período entre

la manufactura de un producto alimenticio y su venta, durante el cual conserva una calidad satisfactoria (IFT, 1974).

Vida útil: tiempo durante el cual el producto envasado y almacenado no se percibe signicativamente diferente al producto inicial.

Durante este tiempo el alimento sufre una disminución tolerable de su calidad sin llegar a la objetabilidad (Labuza y Schmidt, 1985).

Objetabilidad: cuando se alcanza un nivel de incumplimiento de alguna norma legal establecida para el producto, usualmente desarrollada de acuerdo con las características del alimento y su mercado y considerando la posibilidad de riesgos físicos, químicos, nutricionales o microbiológicos o por evaluación sensorial.

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Por lo tanto son numerosos los indicadores de la vida útil de un alimento que pueden ser empleados, entre ellos son de destacar: Evaluación sensorial Concentración de nutrientes Remanencia de un preservante químico Concentración de aromas, sabores y colorantes químicos Color y textura instrumental Incremento o pérdida de humedad Índices de óxidación de lípidos Medición de productos de reacciones de deterioro  Acidez Turbidez Separación de fases Recuento de microorganismos, producción de toxinas Concentración de migrantes o permeantes Modicación del envase (pérdida de forma, corrosión, ablan-

damiento, decoloración, fugas, golpes, fracturas)

Todo producto alimenticio tiene una vida de anaquel nita y variable,

generalmente conocida por el productor, para las condiciones de almacenamiento a que va a estar expuesto.

Los estudios de almacenamiento forman parte de todo programa de desarrollo, tanto si se trata de un nuevo producto, como de una mejora tecnológica o un cambio de formulación y dependen de: • Deterioro por acción bacteriana o enzimática • Deterioro por insectos • Pérdida de propiedades funcionales • Pérdida de cualidades estéticas • Pérdida de valor nutritivo

Según su respuesta a estas vías de deterioro, los alimentos se dividen en perecederos (incluyendo semiperecederos) y no perecederos o estables. Perecederos:

aquellos que deben ser almacenados a temperatura de refrigeración o congelación si se desean conservar por un período

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Tabla 1.5 Ejemplos de alimentos de diferente estabilidad y su mecanismo crítico de deterioro

de tiempo dado, generalmente menor de 7 días. Generalmente poseen elevados contenidos de agua (mayor del 60 %), lo que los hace muy susceptibles al deterioro (como ejemplo pueden citarse las leches, los pescados, las carnes, etc.) Semiperecederos:

alimentos que contienen inhibidores naturales (como algunos quesos, raíces, vegetales y huevos) o que han recibido determinado tratamiento que les permite una mayor tolerancia a la distribución y manipulación, como por ejemplo carnes ahumadas y saladas, los cuales pueden comercializarse sin refrigeración por períodos de hasta tres meses. Muchos de ellos poseen menos de un 60 % de agua  y pueden contener azúcares o ácidos en concentraciones, tales que impiden el desarrollo microbiano (miel, manzanas, ajos, etc.).  Alimentos estables:

los que pueden ser conservados a temperatura ambiente, incluyendo aquellos no procesados que debido a su baja a w no son afectados por microorganismos (generalmente poseen menos de 12 % de agua libre y, si son almacenados en ambiente fresco, seco, limpio  y protegido del sol, se conservan muchos meses sin alterarse, como ejemplo pueden citarse las legumbres, productos deshidratados, aceite y otros), y los preservados por esterilización (alimentos esterilizados en su envase, fundamentalmente los enlatados o los envasados en frascos de

18

 vidrio) u otros medios (productos conservados por métodos combinados, pero con empleo de altas barreras, por ejemplo, acidez notable).

Q10 =

θT  θT +10

La tablaθ 1.5 presenta algunos de los alimentos que pertenecen a estos grupos, y su mecanismo crítico de deterioro. Se considera que un estudio de vida de anaquel concluye cuando: • La presencia de moho, o el crecimiento bacteriano es visible • Los conteos totales altos o la presencia de determinados microor-

ganismos hacen el producto rechazable para el consumidor • Debido a la aparición de cambios físicos que producen olores atípicos, decoloración, separación de fases, espesamiento, deshi-

dratación supercial, etc. o una desviación de la composición

química previamente establecida.

Cuando el punto nal es determinado a partir de evaluaciones sensoriales

es usual emplear como indicadores los siguientes criterios:

• Un incremento o decremento de X unidades en la puntuación

media • Tiempo de fracaso • Vida de almacenamiento

• La menor diferencia signicativa

Tabla 1.6 Semanas de vida de anaquel de un alimento a varias temperaturas de almacenamiento (para un alimento con vida de anaquel de una semana a 40 oC)

19

• Resultado de un análisis descriptivo de perl • Tratamientos estadísticos aplicados a resultados de panel

Resulta evidente que la vida de anaquel de un alimento dependerá de las condiciones bajo las cuales es almacenado, entre ella la temperatura. Como regla, a mayor temperatura menor vida de anaquel, pudiéndose denir entonces un valor Q10 de la siguiente manera.

Donde

representa el tiempo de vida de anaquel.

El signicado de este valor puede comprenderse claramente si analizamos que por denición, un alimento con un valor de Q10 igual a 2,

incrementa su vida de anaquel al doble cada vez que la temperatura es reducida a 10 oC; mientras que si el valor de Q10 es igual a 3, este incremento será del triple. Para muchas reacciones de deterioro, el  valor de Q10 es aproximadamente igual a 2, pero el valor real para estas reacciones dependerá tanto de la reacción en sí, como del sustrato en el cual ocurra. Por ejemplo, en cereales que experimentan una oxidación enzimática de sus lípidos el valor de Q10  es aproximadamente igual a 2, mientras que para cereales con bajo contenido de grasa, sin actividad enzimática, es aproximadamente igual a 3 y para el pardeamiento no enzimático de tomate deshidratado en polvo es de aproximadamente 4, debido al alto valor de la energía de activación de esta reacción. Estos  valores son solo una guía del comportamiento de estas reacciones, no valores que puedan ser empleados directamente para calcular el efecto de un cambio de la temperatura sobre la vida de anaquel, ya que el mismo producto, elaborado en días diferentes y/o en plantas diferentes, puede presentar alguna variación en el valor, que conduciría a diferencias apreciables en la vida de anaquel, como se muestra en la siguiente tabla:

20

Obsérvese que un cambio de solo 0.5 unidades en el valor Q10 puede signicar un cambio apreciable de la vida útil del alimento.

La tabla 1.7 muestra los rangos de la energía de activación para un conjunto de reacciones químicas asociadas al deterioro de los alimentos. Tabla 1.7 Algunos valores de energía de activación de reacciones asociadas a la conservación de alimentos Ejemplo 1.1 El estudio de almacenamiento acelerado de dos muestras de diferentes alimentos (A y B) presenta que ambos poseen una vida de anaquel de 25 días a 40 oC. Si los valores de Q10 para A y B son de 2 y 3 respectivamente ¿Cuántas  veces mayor será la durabilidad de B que la de A a 20 °C? ¿Cuál de los dos alimentos tendrá mayor durabilidad a 20°C?  

Solución:

Mayor Q10 signica que ocurren cambios más pronunciados debido a la variación de temperatura, por tanto el alimento B debe tener mayor durabilidad a 20 °C.  

Comprobación:

Para el alimento A. Vida de anaquel a 30 °C = 50 días Vida de anaquel a 20 °C = 100 días  ya que Q10 = 2 Para el alimento B. Vida de anaquel a 30 °C = 75 días Vida de anaquel a 20 °C = 225 días  ya que Q10 = 3 Ejemplo 1.2 Se están elaborando dos alimentos formulados para los que se desea una durabilidad de 180 días durante su almacenamiento, distribución y  venta a 20 °C. Q10 =

Q10 =

 K T +10  K T 

K 25+10 ec.(1 )  K 25

21

Q10 =

K 25  K 15

Pero también: Q10 =

K 25 ec.( 2 )  K 15

Por lo que:  K 25 = Q10 ∗ K 15

Sustituyendo (2) en (1): Q10 =

 K 35 Q10 ∗ K 15

Q10 2 =

K 35  K 15

Por lo que: ∆T 

Q10 10 =

 K 35  K 15

0,005 0,00125

Q10 =

Q10 = 2

Si el alimento A tiene una Q10 igual a 2 y el alimento B tiene una Q10 igual a 3. ∆T 

Q10 10 =

Q10

15 10

=

tT  tT +10  t25 t40

Despejando t25 queda que: t25 = Q101,5 ∗ t40

22

Sustituyendo los valores: t25 =  2 1,5 * 50 días t25 =   141 días

¿Cuál de las dos fracasará primero en un estudio acelerado a 40 °C?  

Solución:

Mayor Q10 signica que ocurren cambios más pronunciados debido a la variación de temperatura, por tanto el alimento B debe tener menor durabilidad a 20 °C.  

Comprobación:

Para el alimento A. Vida de anaquel a 30 °C = 90 días Vida de anaquel a 40 °C = 45 días Para el alimento B. Vida de anaquel a 30 °C = 60 días Vida de anaquel a 40 °C = 20 días Ejemplo 1.3 La aceptación de un alimento está condicionada por la aparición de un sabor extraño, resultado de reacciones oxidativas en él. Se ha estudiado la cinética de este proceso y se conoce que las constantes de velocidad de la reacción a 15 oC y 35 oC son 0,00125 y 0,005 día -1 respectivamente. ¿Qué vida de anaquel podrá esperarse a 25 oC si la durabilidad del producto a 40 oC es de 50 días. 0,004 g (2,1*106 )g = 840 g 100 g

 

Solución:

Datos ln c = − kt + ln c0

K 15 oC = 0,00125 día-1 K 35 oC = 0,005 día-1

23

t40 oC = 50 días t25 oC = ¿ ? Esto signica que por cada 10 oC que disminuye la temperatura, el

tiempo de anaquel de producto se duplica entonces como:  c0 = anti ln ln c + t

 

Respuesta:

 c0 = anti ln ln840 g + 0,0016 días −1 *100 días 

c 0 = 985, 7g

La vida de anaquel del producto a 25 oC es 141 días. Ejemplo 1.4 Un alimento está diseñado para proveer no menos de 40 mg de un componente con valor funcional por cada 100 g de producto. Si se va a producir un lote de 2 100 kg del alimento, ¿qué cantidad del componente con valor funcional debe añadirse por lote si se desean 100 días de durabilidad? Se sabe que la cinética de degradación de ese componente en el alimento envasado es de 1 er orden, con una constante de velocidad de 0,0016 días-1.  

Solución:

Datos K = 0,0016 días-1 2 100 kg= 2,1 * 106 g 40 mg =0,004 g Si el producto debe proveer 0,004 g del componente funcional por cada 100 g de alimento, entonces el lote que contiene 2,1*10 6 g deberá proveer: Se debe proveer por lote 840 g del componente funcional. La ecuación que le corresponde a una cinética de 1 er  orden es la siguiente: Q10

24

∆T  10

tTmenor  = tTmayor 

42−18 10 10

Q

=

t18 o C t42 o C

Donde: c es la cantidad del componente que debe quedar al nal de t18 o C = Q10 2,4 ∗ t42 o C

la vida útil t18 o C = 2 2,4 ∗ 3 meses t18 o C = 15 meses

Pérdida de color: c0 es la cantidad del componente que hay que añadir k es la constante de velocidad t es el tiempo de vida útil = 100 días

Entonces despejando c0 queda que: Q10

∆T  10

t = tTmayor 

  Tmenor 

42−18 10 10

Q

=

t18o C t42 o C

Sustituyendo los valores: t18 o C = Q10 2,4 ∗ t42 o C

Sustituyendo los valores: t18 o C = 2,6 2,4 ∗ 2 meses t18 o C = 19 meses

Respuesta: Se debe añadir del componente funcional 985,7g por lote para que una  vez pasado los 100 días de vida útil quede el mínimo de este componente que es 840g por lote. Ejemplo 1.5 Un alimento presenta dos vías de deterioro con las siguientes características: pérdida de textura y cambios en el color, con valores de Q10 para la vida de anaquel de 2 y 2.6 respectivamente. En un estudio

25

de almacenamiento a 42 oC, se encontró que la vida de anaquel estimada por la pérdida de textura es de tres meses, mientras que si se estima por la pérdida de color es de 2 meses. ¿Cuál será la vida de anaquel esperada para este producto a 18 oC?   Datos Pérdida de textura Q10 =2 T  =42 oC T  =3 meses t18oC = ¿?  

Solución:

Que Q10  sea 2 signica que el tiempo de vida de anaquel se duplica cuando disminuye la temperatura a 10 oC. Mediante la ecuación: Despejando t18oC queda que: Sustituyendo los valores: Q10 =2.6 T  =42 oC t =2 meses t18oC = ¿?

Mediante la ecuación: Despejando t18oC queda que:  

Respuesta

1.2.1 Estimación de la vida de anaquel

La vida de anaquel esperada para el producto si se almacena a 18 oC para la pérdida de textura y para la de color es 15 y 19 meses, respectivamente. Por tanto la vida de anaquel esperada se toma en base a la reacción crítica y será de 15 meses. Una vez conocido qué se entiende por vida de anaquel y algunas de las formas de evaluarla es necesario considerar los factores que debemos tener en cuenta para un estimado de la vida de anaquel, mediante experimentos de campo de tipo acelerado. Para ello se debe considerar: • El mecanismo por el cual el alimento se deteriora

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• Los agentes que controlan la velocidad de deterioro

• La cantidad de producto en un envase • La forma y tamaño del envase • La calidad del alimento en el momento de envasado • La mínima calidad aceptable para el producto • Las características ambientales que el alimento va a enfrentar • • • • •

durante la distribución La posibilidad de daño mecánico de los envases que puedan afectar su apariencia La unidad de distribución, es decir el número y ordenamiento de los envases primarios en el contenedor correspondiente Los materiales de barrera usados para evitar el acceso de los agentes deteriorantes como oxígeno o vapor de agua El posible efecto del procesamiento sobre las propiedades de barrera de los materiales de envase La importancia y distribución de los defectos en la barrera y su inuencia sobre el comportamiento de los envases.

También es importante precisar las fuentes de errores de este tipo de estudio, como son: • Método analítico • Cambios de fase • Paso del estado amorfo al cristalino • Concentración por congelación • Varias vías de deterioro con diferente Q10 • Cambios en aw debidos al aumento de temperatura • Disminución de la solubilidad de los gases • El almacenamiento a alta temperatura y baja humedad, provoca

pérdida de humedad • Desnaturalización de proteínas La unión de estos datos con los requerimientos del mercadeo puede proporcionar un estimado de la vida de anaquel. Entre las posibles aplicaciones de la estimación de la vida de anaquel resulta importante considerar los siguientes casos:

27

1.  Alimentos de baja humedad cuyo deterioro se debe a los cambios ocurridos por la ganancia de humedad 2.  Alimentos cuyo deterioro se debe a la oxidación lípidica 3.  Alimentos congelados 4.  Alimentos enlatados 1.2.2 Alimentos de baja humedad cuyo deterioro se debe a los cambios ocurridos por la ganancia de humedad

La situación más simple puede ser concebida como la de un alimento cuya calidad se deteriora por una pérdida de crujencia atribuible a la acción del vapor de agua y el cálculo de las necesidades de barrera para preservar la calidad. El ejemplo 1.6 es un caso típico de esta situación, en el que se toman en consideración sólo los seis primeros factores enunciados y en alguna medida el séptimo, ya que los restantes provocan complicaciones mucho mayores, que usualmente serían resueltos por experimentos de campo en el mercado o aún con más frecuencia, mediante la simulación del modo de transporte, almacenamiento y condiciones de venta del sistema de distribución. Si asumimos que los materiales usados como barrera no se afectan por el procesamiento y que el transporte de los envases evita el desarrollo de defectos y cualquier pérdida de integridad en el sellado, así como que la entrada de humedad es el agente controlante del deterioro, entonces existen diferentes formas de cálculo. Una de las más sencillas es la mostrada en el ejemplo 1.7. No obstante, debe considerarse que si bien en muchos casos tendemos a descansar en los resultados de laboratorio, es importante correlacionar éstos con las condiciones reales de venta  y distribución. Si pensamos que los productos con defectos (vida de anaquel vencida) son los que generan las quejas y reclamaciones, que para un experimento de campo, entre 10 y 12 envases son sometidos a las condiciones climáticas esperadas (temperatura, humedad u otros)  y que el estimado de la vida de anaquel lo haríamos sobre los valores medio encontrados para los 10 o 12 envases empleados, estaríamos perdiendo de vista la importancia de la variabilidad individual, tanto de las condiciones climáticas, como del valor de protección ejercido por el envase, pues serán aquellos productos peor protegidos y sometidos a las peores condiciones (por ejemplo mayor humedad relativa ambiental) los que generen las quejas o reclamaciones y no un “paquete promedio” sometido a condiciones ambientales promedio.

28

Por lo anterior, quizás sea recomendable restar, como factor de seguridad, dos desviaciones estándar a la vida media de anaquel calculada. Esto permite también “absorber” las variaciones que se puedan producir Γ  debido a las uctuaciones de temperatura, que pueden ser evaluadas a

partir de modelos como el mostrado Γ 

Inuencia de la uctuación de temperatura

Cuando un alimento es almacenado, existe una temperatura nominal de almacenamiento, pero los valores reales de temperatura uctúan

alrededor de ese valor nominal. Cuando el alimento está un tiempo dado a una temperatura dada, él consume una fracción de su vida útil total, siendo esa fracción dependiente tanto del tiempo como de la temperatura de que se trate. El tiempo útil de almacenamiento a una temperatura nominal podría pensarse que es aquel en el cual la fracción consumida se mantenga menor que la unidad, al ser calculada de la siguiente manera:  f consumida = Σ (ti / θ i)T i

donde ti representa la vida útil a la temperatura T i y θ i representa la  vida útil a esa temperatura. Esta ecuación se basa en el principio de aditividad, esto es, todo deterioro que sufre un alimento es aditivo o lo que es lo mismo, la historia tiempo-temperatura no es importante, excepto para calcular la calidad remanente a un tiempo dado. Sin embargo, existen diversas situaciones en las que este principio no es válido. Por ejemplo, para alimentos almacenados en congelación, una uctuación amplia de la temperatura

alrededor de la temperatura nominal podría causar quemadura por frío

o desecación supercial, las cuales no son efectos aditivos. Igual ocurre

con el crecimiento de la microbiota contaminante cuando se almacena por encima de la temperatura de congelación.

Si denimos la función de pérdida de calidad como f (C) = ∫  k ( T (t)) dt,

podemos establecer la existencia de una temperatura efectiva (Tefec) como la temperatura constante de almacenamiento a la cual ocurre el mismo cambio de calidad que bajo las condiciones de temperatura variable  y por supuesto, existirá una k efectiva (kefec) que sería la constante de velocidad de deterioro que corresponda a la temperatura efectiva. Entonces es posible plantear f(C) = k efec t, donde, por ejemplo para una onda cuadrada kefec = kTmedia

sq

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donde:  PE =

 GH   At sq

=½ [Q10(Tm +10)/(Tm+a)(a/10)+Q10-(Tm +10)/(Tm-a)(a/10) ]

a = amplitud de la uctuación de temperatura

Claro está, para las condiciones reales de almacenamiento a la temperatura nominal (o sea temperatura variable) las uctuaciones de

temperatura generalmente no siguen un patrón matemático de fácil

denición, siendo una onda sinusoidal más cercana a la realidad que

una onda cuadrada.

Caso 1 .- Entre las varias formas de calcular requerimientos de barrera o tiempo de vida útil para alimentos envasados en películas exibles, es  PE =

 GH   At

aconsejable el uso de una prueba práctica que se realiza a menudo en condiciones aceleradas, requiriéndose para ello de un conjunto de datos que incluyen: • Peso del producto por unidad de envase • Volumen ocupado por el peso unitario (para calcular el área supercial del envase) • Contenido inicial de humedad del producto • Contenido crítico de humedad del producto • Vida de anaquel requerida • Condiciones ambientales

Entonces la velocidad de transmisión de humedad estará dada por la ganancia de humedad (GH) que ocurre en un tiempo dado, a través de un área dada y será dependiente de las condiciones ambientales y para la selección del material debe corregirse la permeabilidad bajo  cm2  8,7g  10 000 2  m   P= 2 400 cm

(180

días )

P= 1,208 g / (m2)(día)

30

condiciones estándar a las condiciones especícas de trabajo que se

estén enfrentando. Esto implica suponer que el material de barrera no se afecta en sus propiedades por el proceso de conformación (plegado, sellado, etc.) y que es sellable al 100 %. Si como resultado obtenemos un valor de permeabilidad inaceptable o indeseable, o un tiempo de  vida de anaquel inadecuado (según lo que estemos determinando) deberá cambiarse o la cantidad de material por unidad de envase, y/o el

área supercial de la barrera (que depende de la forma del envase) para

ajustar los requerimientos.

Empleamos la fórmula: Ejemplo 1.6 Cálculo de barrera Un alimento deshidratado es elaborado con un contenido de humedad del 4 % y se desea seleccionar una película exible adecuada para formar

bolsas de 200 g, que le proporcione una protección mínima de seis meses para que no rebase el 8 % de humedad, valor que se considera crítico desde el punto de vista de su conservación. ¿Que permeabilidad al valor de agua será la máxima permisible suponiendo que cada bolsa presenta un área de 400 cm 2?  

Solución:

P=

GH H f − H 0 1) = (  A ∗ t A ∗t

G H= H nal –H inicial

Hi= 8 g / bolsa

Si planteamos la caja negra: (0,92) H nal= 192 (0,08)

31

H nal = 16,7g/ bolsa

Balance del componente de unión 200(0,96)= X (0,92) X = 208,695g ≈  8,7g de agua ganados B. agua 200(0,04) + GH =X (0,08) Pero X=200+GH Por tanto, GH = X-200 200(0,04) + X-200 = (0,08) 200(0,96)= X (0,92) X=200(0,96)/0,92 = 208,7

 H  f  =

4 g ∗ 195 g  100 g 

 H f  = 7,8 g 

Ejemplo 1.7  P =

7,8 g − 5 g  0,045 m2 ∗ 140 días

 P = 0,44 g / m2 día

Se está elaborando unos productos extruidos de maíz con un 2,5 % de humedad, caracterizados por poseer una alta crujencia. Los estudios realizados muestran que cuando el contenido de humedad de estos productos alcanzan 4 g de agua por cada 100 g de sólidos, pierden esa característica, por lo que deben ser conservados empleando una película polimérica que reduzca la ganancia de humedad. Se desea escoger la mejor solución entre varias opciones factibles de acuerdo con la oferta de los proveedores y considerando una durabilidad mínima de 140 días. NOTA: considere las bolsas de 30*15 cm Datos

32

Ho = 2,5% Final 4 g de agua/100 g de sólidos 1m2 =10 000 cm2  A=30 cm*15 cm = 450 cm2  A = 450 cm2 *1 m2 /10 000 cm2 =0,045 m2 Solución:  Asumir una base de cálculo B.C = 200 g de producto extruido de maíz Mediante la fórmula: donde: P es la permeabilidad GH es la ganancia de humedad  A es el área de la bolsa 20 cm = 0,2 m

t es el tiempo de vida de anaquel

30 cm = 0,3 m

16 cm = 0,16 m

20 cm = 0,2 m

 A 2 = 0,3 * 0,2 = 0,06 m2 T2 = 32 oC = 305 oK M2 = 400 g P2 = ¿? t2 = ¿?

Hf  es la cantidad de agua nal Ho es la cantidad de agua inicial

ln P2 − ln P 1 =

Ea  1 1 −    R  T2 T 1 

Para saber cuál es la cantidad de agua inicial, se multiplica la masa de maíz inicial por el por ciento de humedad: Ho = 200 g * 0,025 = 5 g de agua

Como la masa de maíz nal no es la misma porque ganó agua, pero la

masa de sólidos secos sí es la misma hay que llevar estos resultados a base seca, o sea:

33

hay 5 g de agua/195 g de sólidos al inicio. 1   15 000 cal / mol  1  2 g m día − + ln 0,2 /    305o K 297 o K    o   cal mol K 1,98 /    

 P2 = anti ln 

 P2 = 0,1 g / m2 día

Estos 195 g de sólidos son los mismos al nal y como se dice que al nal

habrá 4 g de agua/ 100g de sólidos, por tanto se pude saber cuántos g de agua habrá en 195 g de sólidos:  P 1 =

 H f − H o  A1 ∗ t1

 Ahora se puede calcular la permeabilidad mediante la ecuación (1) y  H f = ( P1 ∗ A1 ∗ t1 ) + H o

Ho =M1* % de humedad Ho =250 g * 0,03 = 7,5 g de agua inicial

Entonces sustituyendo los valores:  H f  = 0,2 g / m2 día ∗ 0,032 m2 ∗ 87 días + 7,5 g   H = 8,06 g  de agua nal

sustituyendo los valores queda que:  

Respuesta

Las películas B1 y C1 tienen una permeabilidad semejante entre sí y a la calculada, además de que ambas tienen una excelente facilidad de sellado, se escogería entonces la B1 por tener mayor espesor. Ejemplo 1.8

GH =  M2 final ∗ % H 2 O final (87 días )  −  M2 inicial ∗ % H2 Oinicial (87 días) 





Se procede a elaborar una caja negra:

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Entonces se toma como base de cálculo A =400 g de galletas Balance de sólidos totales: A (0,97) =C (0,9678) 400g ∗ 0,97 = 400,91g 0,9678

C=

Una bolsa que contiene 250 g de galletas con una humedad inicial del 3 %, mostró una durabilidad de 87 días a 24 oC. la bolsa vacía formaba un rectángulo con una supercie aprovechable de 16*20 cm  P 2 =

GH   A2 ∗ t2

Por lo que despejando el t t2 =

GH   P2 ∗ A2

Sustituyendo: t2 =

0,829g 0,1g / m2 día ∗ 0,06 m2

t2 =   138 días

por cada cara y la permeabilidad del material de la bolsa al vapor de agua a esa temperatura es de 0,2 g de vapor de agua/m 2día, para una película de 25 µm. Un estudio de mercado ha mostrado la conveniencia de exportar estas galletas en un envase de 400 g, empleando la misma película, solo que CR C q = − t q C

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en ese caso las dimensiones de una cara del envase serán 30 x 20 c.  Además, la temperatura media en el mercado meta es de 32 oC, ¿qué durabilidad podrá esperarse ahora para el producto? Considere que la variación de la permeabilidad del material de la bolsa con la temperatura sigue una ecuación tipo Arrhenius, con una energía de activación de 15 kcal/mol. Datos M1 =250 g Humedad =3% t1 =87 días T1 =24 oC =297oK

A 1 =20 cm*16 cm =320 cm2 *1 m2 /10 000 cm2 A 1 =0,032 m2 P1 =0,2 g de vap de agua/m 2día Espesor =25 µm R =1,98cal/moloK E A  =15 kcal/mol =15 000 cal/mol

Se desea que las bolsas ahora sean de 400 g para exportarlas. Solución: Según la ecuación de Arrhenius donde: P2 es la permeabilidad de la 2 da bolsa P1 es la permeabilidad de la 1 era bolsa Ea es la energía de activación R es la constante de los gases ideales T 2 es la temp a la que se almacena la 2 da bolsa T 1 es la temp a la que se almacena la 1 era bolsa

Despejando el valor de P 2 tenemos que: Por otra parte tenemos que el por ciento de agua tanto al inicio como al nal va a ser el mismo en ambas bolsas por lo que es importante hallar el contenido de agua nal en el primer caso mediante la ecuación:

Despejando Hf  queda que: La ganancia de agua = H f  –Ho =8,06 -7,5(g) =0,5568 g Entonces la masa nal de las galletas será la inicial más la ganancia de

agua por lo que

Mf  =250,5568 g Para saber el % de agua que hay al nal se calcula:

36