TECNOLOGÍA DE ALIMENTOS

LAMBAYEQUE - PERÚ

TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS Objetivos:  Que el alumno conozca la definición de “Tecnología de alimentos”, su objeto y su interrelación con las operaciones básicas de la ingeniería química.  Conocer las necesidades de procesar y estabilizar los alimentos.  Distinguir las diferentes áreas en la Tecnología de los Alimentos  Describir la situación de la industria agroalimentaria en el ámbito nacional. 1

TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS Se ocupa de la investigación, diseño, construcción y operación de las instalaciones industriales que utilizan materiales y/o procesos biológicos de transformación para fabricar alimentos destinados al consumo humano o animal. La inclusión de productos destinados al consumo animal supone incluir las fábricas de piensos en la tecnología de los alimentos, lo que es lógico ya que se utilizan las mismas operaciones básicas y, en la mayoría de los casos, materias primas muy similares en cuanto a sus propiedades físicas, químicas y nutricionales, que difieren fundamentalmente en la calidad de éstas. Los materiales biológicos que constituyen la materia prima de la tecnología de alimentos proceden de la agricultura, la ganadería y la pesca. Las posibilidades de desarrollo de estas fuentes de materias primas son todavía muy grandes, especialmente refiriéndonos al aprovechamiento del mar, que puede ser aún muy desarrollado para la producción de biomasa tanto primaria como secundaria.  Biomasa: Cualquier materia orgánica que ha tenido su origen en la fotosíntesis. Se clasifica según los siguientes grupos: -

Primaria: Formada por las plantas.

-

Secundaria: Formada por animales que se alimentan de plantas y de otros animales.

-

Terciaria: Originada por la actividad humana, como residuos agrícolas o subproductos de procesos de la TA.

 Fósil: Originada por la fotosíntesis en tiempos anteriores. La biomasa primaria y residual son renovables y ambas pueden suponer un problema de eliminación. Existe una importante diferencia entre la biomasa primaria

marina y terrestre en el sentido de que la primera no necesita tejidos de sostén y por ello carece de componentes celulósicos y leñosos que no son aprovechables por la TA. 2

NECESIDAD DE CONSERVACIÓN DE LOS ALIMENTOS. La conservación de alimentos siempre ha sido necesaria fundamentalmente con el objetivo de asegurar el abastecimiento en periodos en los q ue resultase imposible la obtención de alimento fresco. De forma espontánea la mayoría de los alimentos experimentan una degradación de sus constituyentes que los hace progresivamente menos aptos para el consumo llegando a convertirlos en tóxicos o infecciosos y por lo tanto perdiendo su función de alimento. Tales cambios son inducidos por la acción de microorganismos, las propias enzimas o procesos biológicos del alimento, o agentes externos tales como oxígeno, temperatura o insectos. Las técnicas primitivas de conservación de los alimentos nacieron de diversas necesidades. En climas fríos se hacía necesaria la conservación de alimentos de origen agrícola para su consumo durante el invierno por parte del hombre y del ganado. Por otra parte, dada la imposibilidad de mantener vivo todo el ganado hasta la primavera, también surge la necesidad de mantener en condiciones de consumo el ganado sacrificado durante el invierno. Los primeros métodos usados para esto fueron el ahumado, salado, secado, encurtido y, cuando el clima lo permitía, la congelación.

En climas cálidos se dispone de alimentos durante todo el año, pero su deterioro se produce de forma mucho más rápida. Esto ocurre con numerosas frutas y hortalizas y con la leche, un producto de importancia crucial en la historia de la alimentación humana. En estos climas, además de los métodos anteriores, menos eficaces ya que la elevada temperatura favorece la proliferación de microorganismos que afectan al alimento incluso durante el periodo que tarda en llevarse a cabo la estabilización (secado, ahumado... etc), surgió la estrategia de usar otros microorganismos beneficiosos que desplazaran a los perjudiciales, dando origen a productos como el queso, yogur, vino y cervezas, col ácida y otros fermentados.

Fue por prueba y error a lo largo de los siglos que estos métodos de conservación primitivos se fueron optimizando dando lugar a nuevos productos con categoría propia y que denominaremos “alimentos conservados”, entre los que se incluyen alimentos como embutidos, mermeladas, frutas secas y esterilizaciones caseras (que han dado

lugar a no pocas muertes por intoxicación botulínica). A partir de 1860 se produce un punto de inflexión en el consumo de alimentos conservados. Antes de esta fecha eran un producto caro y exclusivo de las clases más ricas que conseguían así variedad en la alimentación. A partir de esta fecha se estimula la producción en masa de alimentos conservados por varios motivos:  Aparición de industria en lugares donde la materia prima era ba rata y abundante, como en América del sur y Australia.  Aparición de núcleos urbanos de concentración de población que separan físicamente la producción de alimentos y el consumo, provocando un retraso entre la producción y consumo cada vez más largo que llega a hacer imprescindible el proceso de estabilización o conservación.  Largos viajes transoceánicos, con grandes dificultades para repostar y causa de numerosas enfermedades deficitarias en los marineros. La importancia de los viajes marinos tanto comercial como militarmente provocaron una activa investigación en la búsqueda de alimentos estables y que conservaran los nutrientes necesarios para mantener la salud humana. Este factor es el que provoca la aplicación de principios científicos a la elaboración y conservación de alimentos. En este contexto se entiende la explosión que experimentó la estabilización de alimentos como industria. Algunos autores datan la aparición de la aplicación comercial de técnicas de conservación bastante antes (1810) co n la publicación por N. Appert de un tratado de “El arte de conservar por muchos años todas las sustancias animales y vegetales”, tratado de esterilización fruto de la investigación sistemática de las condiciones adecuadas sobre muchos materiales y condiciones. La primera aplicación de principios científicos a la conservación aparece con el tratado de Luis Pasteur “Estudes Sur le Vin”, y la aparición del primer proceso de pasteurización que supuso un éxito espectacular. Pero no es hasta finales del siglo XIX que la actividad comercial de la conservación de alimentos se convierte en una verdadera industria y se populariza el consumo de alimentos conservados.

Hoy en día la necesidad de conservar los alimentos es obvia e indiscutible hasta el punto de que condiciona el estilo de vida, la organización social y la distribución de la población no sólo dentro de los países, sino a escala mundial. Sin los adecuados procedimientos de estabilización de alimentos no seria posible la actual separación

entre las fuentes de producción (rurales) y de consumo (urbanas). 3

ÁREAS EN TECNOLOGÍA DE LOS ALIMENTOS Hoy día la tecnología de los alimentos no abarca solamente la estabilización o conservación. Se puede decir que existen tres grandes campos: 1.- Tecnología de la estabilización de alimentos. 2.- Tecnología de la fermentación. 3.- Tecnología del procesado o elaboración de alimentos. Las operaciones básicas que se realizan en estas áreas están basadas en los mismos principios que las utilizadas en ingeniería química, y se diseñan y operar igualmente con el añadido de tener en cuenta las características especiales de los alimentos. También se incluyen en la tecnología de los alimentos el envasado, almacenamiento y el control sanitario, aunque estas áreas se solapan con otras áreas de disciplinas como son la nutrición y bromatología, y el análisis de alimentos. Incluso los productos frescos son sometidos a tratamientos de estabilización suaves que no alteren sus cualidades organolépticas, haciéndolos indistinguibles de los frescos (de hecho son productos frescos) pero que prolonguen su vida. Estos productos se conocen como “mínimamente procesados”. Respecto a la tecnología de la fermentación, área con entidad propia que transciende la tecnología de alimentos, en realidad se puede considerar dividida entre la estabilización y el procesado, ya que sirve tanto como método de conservación como proceso de fabricación, aspectos que a menudo aparecen combinados, como en la producción de queso.

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INDUSTRIA AGROALIMENTARIA 4.1. CONCEPTO Y OBJETIVOS Se entiende por industria agroalimentaria toda aquella industria que procesa materias primas, procedentes de la agricultura, ganadería y pesca, para la obtención de productos cuyo destino es la alimentación humana. Tanto en la actualid ad, como en el pasado, los objetivos de la industria agroalimentaria son: 1. Prolongar la vida útil del alimento, es decir, el período en que el alimento permanece comestible, mediante técnicas de conservación que inhiban el crecimiento microbiano y los cambios bioquímicos que se producen, permitiendo así disponer de más tiempo para su distribución y almacenamiento

doméstico. 2. Aume ntar la variedad de alimentos, y por tanto de la dieta alimenticia, ampliando el rango de bouquets, colores, aromas y texturas (características conocidas como comestibilidad, calidad organoléptica o calidad sensorial de los alimentos). Un objetivo relacionado con éste son los cambios de forma a los que algunos alimentos se someten para permitir su posterior elaboración (por ejemplo: la molienda de granos para la obtención de harina). 3. Proporcionar los nutrientes necesarios para la conservación de la salud (calidad nutritiva de un alimento). 4. Generar beneficios como fin último de toda actividad económica. Cada uno de estos objetivos se persigue, en mayor o menor grado, en cualquier proceso de elaboración. Su importancia relativa depende del alimento en cuestión. Así, por ejemplo, el objetivo de la congelación de las verduras consiste en mantener sus características organolépticas y su valor nutritivo, lo más próximas a las del producto fresco, por tanto el principal objetivo de la congelación consiste en la conservación del alimento. Por el contrario, la elaboración de snacks y productos de pastelería trata de proporcionar una dieta más variada: a partir de diversos alimentos frescos se elaboran toda una serie de productos de forma, sabor, color y textura distintos. En la figura se muestra la importancia relativa de distintos métodos de conservación sobre la vida útil, las características organolépticas y el valor nutritivo del producto.

Efectos relativos de unidades operatorias seleccionadas : 1, fabricación de mermelada; 2, limpieza; 2a, pelado; 2b, clasificación; 3, molienda; 4, mezclado; 5, separaciones mecánicas; 6, separación por membrana; 7, fermentación; 8, irradiación; 9, escaldado; 10, pasteurización; 11, enlatado; 11a, esterilización a temperatura ultraalta; 12, evaporación; 13, extrusión; 14, desecación; 15, horneado; 16, fritura; 18, refrigeración; 19, congelación; 20, liofilización; 21, rebozado. 4.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA La evolución que ha seguido la industria agroalimentaria forma parte de la historia humana, como consecuencia de la necesidad que tenemos de alimentarnos. Así, pues, la industria agroalimentaria del presente tiene sus orígenes en la prehistoria. Fue en este período en el que el hombre comenzó a conservar los

alimentos para evitar el hambre o mejorar su comestibilidad. Secó el grano para mejorar su conservación y asó la carne para mejorar su sabor. Posteriormente desarrolló máquinas para el tratamiento de los alimentos que le permitieron reducir el tiempo y esfuerzo requeridos por los métodos manuales. Así, aprovechó el agua, el viento y la tracción animal para moler los granos.

Los métodos bioquímicos de elaboración se utilizaron por primera vez en Egipto, para la preparación de alimentos fermentados como quesos y vinos. Durante mucho tiempo, estos métodos de conservación y elaboración se utilizaron tan sólo a escala doméstica para satisfacer las necesidades familiares. Sin embargo, a medida que las sociedades se fueron desarrollando fue implantándose la especialización y aparecieron los primeros oficios (por ejemplo, panaderos y cerveceros) como precursores de la industria agroalimentaria actual (Fellows, 1994). El crecimiento de los pueblos y ciudades dio un impulso a estas técnicas de conservación. La vida útil de los alimentos se prolongó y se hizo posible su transporte desde las áreas rurales a las urbanas para satisfacer las necesidades de la población.

Durante el siglo XIX se construyeron fábricas que incrementaron la capacidad de producción de alimentos básicos como el almidón, el azúcar, la mantequilla y productos de panadería. Estos procesos de elaboración discontinuos se basaban en la tradición y en la experiencia ya que no se disponía por aquel entonces de un conocimiento detallado de la composición de los alimentos, o de los cambios que en éstos provocaban los procesos de elaboración. Hacia el final del siglo, el incremento del conocimiento científico permitió la transformación de la industria artesanal en una industria basada en el conocimiento científico, fenómeno que todavía prosigue en la actualidad. Fue en esta época en la que se diferenciaron claramente dos mercados distintos: uno que incluía la mayor parte de los alimentos procesados, más baratos, cuya preparación se completaba posteriormente antes de su consumo, en casa o en establecimientos de “catering” (por ejemplo: harina, azúcar, carnes enlatadas y verduras) y otro, “de lujo”, que incluía, entre otros productos, el café y las frutas tropicales enlatadas (por ejemplo: piña y melocotón). De esta manera, la industria agroalimentaria ha ido evolucionando para incorporar métodos de producción y tecnología avanzada, en respuesta a un cambio constante

en las necesidades del consumidor y a la continua urbanización de los habitantes del planeta. La sociedad exige cada día más los "alimentos cómodos", denominación que se configuró en el decenio 1960-70 para los alimentos en que una o varias etapas de la labor de preparación, que antes se hacía en el hogar, se dejan en manos del fabricante. La carestía del personal auxiliar en los restaurantes, cafeterías, hospitales, etc. conduce también a esta transferencia de funciones. Se va creando así una industria de proceso de los alimentos cuyo fin es proporc ionar alimentos perfectamente sanitizados en forma de productos parcial o totalmente cocinados, cómodos y convenientes para proseguir con los actuales hábitos de vida, cuidando además el paladar y la conservación al máximo plazo. En estos alimentos precocinados y preparados juegan un papel importante los aditivos alimentarios. Por otro lado, existe también, por parte de algún sector de consumidores, una creciente demanda de alimentos más parecidos al alimento original (más saludable), preparados mediante métodos menos lesivos. Todas estas tendencias han influenciado, en gran manera, los cambios que, en la actualidad, están teniendo lugar en la industria agroalimentaria.

En los últimos veinticinco años la industria agroalimentaria ha alcanzado un alto grado de sofisticación en su tecnología, vive en un estado dinámico de cambio de técnicas modernas por otras más recientes, persiguiendo la eficacia, la calidad, la reducción de costes, la innovación y el prestigio de las marcas. La fiebre renovadora a corto plazo que caracteriza a nuestro tiempo tiene un buen exponente en la industria agroalimentaria.

Su perfil es el de una industria típica de diversificación de productos, de tecnología punta, que tiene prácticamente al cliente cautivo, y con tradición de suficientes márgenes comerciales, por lo que se puede mantener en la cresta de la ola. Los resultados de la investigación y la innovación tienen aplicación y aceptación inmediata en todos los países con la misma cultura. Tiene además un gran efecto inducido en otros sectores como la fabricación de envases y el transporte, que pueden incluso convertirse en subsidiarios. Por todo ello, hay una tendencia en esta industria a seguir la estrategia de concentración de empresas. Esto encaja perfectamente en el marco típ ico de las compañías multinacionales,

tanto en lo que se refiere a procesos y productos como a maquinaria especializada. Y efectivamente hay una gran penetración de las multinacionales que absorben a las pequeñas empresas o las fusionan al grupo. En la figura adjunta se incluyen los sectores que tradicionalmente abarca la industria agroalimentaria en su sentido estricto de transformación y conservación, o industria agroalimentaria manufacturera, según la revista Alimarket los porcentajes corresponden al volumen total anual de ventas. Congelados 2% Conservas 4% Frutas y verdur as 4%

Huevos 2% Productos light 2%

Café 2%

Varios 22%

Bebidas r efrescantes 4% Aditivos 5% Pescado 5% Bebidas alcohólicas 12% Dulces 5% Pastas 6%

Cárnicas 9% Aceites 7%

Lácteas 9%

Distribución de la industria agroalimentaria por sectores La industria agroalimentaria, como cualquier industria en un mundo de economía liberal, necesita disponer de una tecnología (el know how de los ingleses) y ser viable económicamente. INDUSTRI A ALIMENTARIA

TECNOLOGÍA

VIABILIDAD ECONÓMICA

IN G E NI ER ÍA D E P R OC E S O S

Q UÍ MI CA D E LO S A LI M E N TO S

C O S TE S

BI EN E S DE E Q UI P O

MI CR O BI O LO G Í A

M ER CA D O

C ON TR O L D E CA LI DA D

BE NE FICI O

ANÁ LI SI S DE A LI M E N TO S LE G I S LA CI Ó N O TRA S MA TE R IA S

Ramas de la industria alimentaria

La tecnología se apoya a su vez en la ingeniería de procesos y en un conjunto de disciplinas que tienen que ver con la naturaleza de las materias primas, los alimentos,

que presentan una gran complejidad

estacional,

química

y

microbiológica. Y existe además una componente muy importante y específica de cada sector, e incluso de cada fábrica dentro de un sector, que es la maquinaria o bienes de equipo.

Los cambios registrados en la tecnología de elaboración de alimentos han sido determinados en parte por los sustanciales incrementos registrados tanto en los costes energéticos como de mano de obra. Los fabricantes han tenido que revisar la actitud que les permitía en el pasado utilizar procesos de elaboración que no requerían grandes inversiones, pero que, en cambio, eran energéticamente poco eficaces y requerían abundante mano de obra. En la actualidad, las instalaciones modernas, permiten, mediante un control cada día más sofisticado de las condiciones de elaboración, conseguir ambos objetivos: reducir los gastos de producción, así como el efecto adverso sobre la calidad nutritiva y las características organolépticas del producto, de algunos procesos de elaboración (tratamientos térmicos).

El ahorro energético es una característica común a muchas de las modernas instalaciones de elaboración de alimentos. Y si bien éstas requieren mayores gastos de instalación, reducen el consumo energético y los gastos de fabricación. Además, requieren menos mano de obra y proporcionan un producto de mayor calidad con lo que los beneficios aumentan al aumentar las ventas. Hoy los microprocesadores se emplean profusamente para el control de las instalaciones de elaboración de alimentos. En la actualidad la automatización global del proceso de elaboración, desde la recepción de la materia prima hasta el embalado y almacenamiento es ya una realidad. 4.3

MATERIAS PRIMAS Las materias primas de la industria agroalimentaria son los alimentos, es decir, los productos que el hombre toma para subsistir en una u otra forma. Los alimentos son sustancias químicas que una vez comidas, digeridas y absorbidas por el organismo son capaces de hacer crecer o reparar los tejidos, proporcionan la

energía necesaria para mantener la temperatura del cuerpo y realizar sus actividades, o actúan como reguladores de los procesos metabólicos. Los componentes de los alimentos que realizan estas funciones son las sustancias nutritivas o nutrientes. Hay seis grandes grupos de nutrientes: los hidratos de carbono, las grasas o lípidos, las proteínas, las vitaminas, los minerales y el agua. Los hidratos de carbono y las grasas son la reserva energética del organismo; las proteínas tienen la función estructural de formar los tejidos y los órganos del cuerpo y reponer su desgaste; las vitaminas son catalizadores de las reacciones metabólicas; los minerales tienen una doble función reguladora y estructural (huesos) y el agua es el medio en que se realizan las funciones orgánicas y metabólicas y el transporte de sustancias y nutrientes. Existen también otros componentes en los alimentos que sin ser nutrientes en su sentido lato tienen importancia en la alimentación y en la tecnología del procesado y conservación de los alimentos. Entre ellos están: a) fibra alimentaria, que se encuentra en alimentos de origen vegetal y que no se digiere, pero ayuda a regular los procesos intestinales previniendo enfermedades. b) enzimas, que actúan también como catalizadores c) aditivos naturales, acidulantes, etc.

como

pigmentos,

antioxidantes,

emulgentes,

d) estimulantes e) componentes del "flavor", como saborizantes y aromas. Los alimentos se agrupan en sistemas o grupos alimentarios en función de los nutrientes que contienen mayoritariamente: PRINCIPALES SISTEMAS ALIMENTARIOS Leche, quesos, derivados lácteos

Carnes, pescados, huevos y legumbres Cereales, patatas y derivados Verduras, hortalizas y fruta Aceites, mantequilla, margarina, grasas Azúcar, bebidas refrescantes, bebidas alcohólicas y estimulantes

En líneas generales, el grupo 1 es rico en sales minerales (calcio), vitaminas, proteínas y grasas. El grupo 2 está formado por alimentos ricos en proteínas y los

de origen animal también aportan grasas. El grupo 3 es fundamentalmente rico en hidratos de carbono. El grupo 4 proporciona vitaminas, minerales y fibra alimentaria. El grupo 5 está constituido por alimentos lipídicos. El grupo 6 contiene sustancias, algunas no básicas en la alimentación, que tienen sin embargo una gran componente social. En la actualidad, tienden a considerarse como materias primas de la industria agroalimentaria los animales sacrificados, los productos del mar, pescados y los cereales, legumbres, frutas y hortalizas cosechadas. Las materias primas alimentarias son muy complejas como procedentes de seres vivos y presentan variaciones estacionales, climáticas, de procedencia comarcal, de tratamiento agrícola o zootécnico, etc., lo cual da lugar a una química alimentaria compleja, que tiene que contemplar además: 

 Las transformaciones durante el proceso de almacenamiento   Las variaciones y reacciones que se inducen en los procesos de manipulación, conservación y fabricación de productos elaborados   Las reacciones de deterioro, bien microbiológico, bien derivado de los



procesos tecnológicos   La prevención y restauración del deterioro. La minimización de contaminantes tecnológicos involuntarios que se pueden introducir durante la fabricación y el envasado   Las variaciones en el valor nutritivo 

4.4. LA TECNOLOGÍA DEL PROCESADO Y LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS La tecnología del procesado y conservación de los alimentos se apoya en la ingeniería de procesos. Los procesos son situaciones en las que la materia experimenta un cambio en su estado, forma, composición o contenido energético, o bien sufre una transformación más profunda por reacción química.

La ingeniería de procesos nació para la industria química a principios del siglo XX como un intento de analizar y realizar toda clase de procesos químicos industriales por medio de un número reducido de operaciones, que se llamaron operaciones unitarias, y que son comunes a muchos procesos. Este concepto ha rebasado los límites de la industria química para extenderse a todas las industrias

de proceso, como es la industria agroalimentaria. Se pueden citar como ejemplo de procesos agroalimentarios industriales la congelación, donde parte del agua contenida en los alimentos cambia de estado, el amasado de las harinas donde éstas cambian de forma para convertirse en pastas, la producción de leche descremada donde se cambia la composición por separación centrífuga de la grasa, la fabricación de mahonesas donde se cambia el contenido energético de la mezcla huevo-aceite formando una emulsión, o las fermentaciones donde e l alimento experimenta una transformación por reacción química.

La tecnología del procesado y conservación de alimentos utiliza numerosas operaciones unitarias que se han clasificado en función de los fenómenos de transporte clásicos de cantidad de movimiento, calor y materia, y en otros fenómenos importantes en los procesos agroalimentarios. OPERACIONES DE LA TECNOLOGÍA ALIMENTARIA Operaciones relaciona das con Clasificación por tamaños, molienda, TRANSPORTE DE CANTIDAD desmenuzado, mezcla, batido, amasado, DE MOVIMIENTO formación de emulsiones, filtración, centrifugación, vacío, extrusión Operaciones relaciona das con Pasteurización, esterilización, evaporación, FENÓMENOS DE TRANSMISIÓN conce ntración, refrigeración, conge lación, DE CALOR secado, liofilización Operaciones relaciona das con Destilación, extracción, secado, liofilización FENÓMENOS DE SEPARACIÓN DE MATERIA Operaciones relacionadas con la Calefacción infrarroja, microondas, RADIACIÓN conservac ión por irradiación ELECTROMAGNÉTICA Operaciones relacionadas con la Fermentación, reacciones enzimáticas, REACCIÓN QUÍMICA Operaciones relacionadas con la REDUCCIÓN DE LA ACTIVIDAD RESPIRATORIA

reacciones bioquímicas Almacenamiento en atmósferas controladas o modificadas, envasado en atmósferas modificadas

Entre las operaciones tabuladas existen cinco grandes grupos de operaciones para evitar el deterioro microbiológico de los alimentos. Dos grupos se corresponden con la destrucción de los microorganismos por el calor (pasteurización, esterilización) o por irradiación. Los otros tres se identifican con la inhibición del crecimiento de los microorganismos por efectos del frío (refrigeración, congelación), por la disminución de la actividad de agua (secado,

liofilización, concentración) o por la variación del o xígeno presente (atmósferas modificadas). El resto de las operaciones se utilizan fundamentalmente para el procesado y algunas para la conservación, retardando la maduración.

El ámbito de la tecnología del procesado y conservación de alimentos abarca el espacio entre las materias primas y el mercado. MATERIAS PRIMAS

IND U S TRI A A LI M E N TA RI A (de c a bec era ) IND U S TRI A A LI M E N TA RI A (ma nufa c ture ra )

DI S TR IB UCI Ó N gra nde s s upe rfi ci es ti e ndas

CA D EN A S D E R E S TA UR AC I Ó N c omi da s rá pi da s ca fe te rí as ca teri ng

Aceptabilidad CONSUMIDORES

Ámbito de la tecnología del procesado y conservación de alimentos Las materias primas pueden ir directamente a la industria manufacturera o pasar primero por una industria de cabecera como es la industria harinera o las almazaras. La industria manufacturera elabora los productos acabados para el consumidor. Las cadenas de distribución se consideran también incluidas porque utilizan técnicas y operaciones de conservación para muchos productos elaborados y mantienen gabinetes de estudios de control de calidad e innovación, participando en la producción a través de las marcas blancas (productos con características específicas que elabora la industria manufacturera para las cadenas de distribución, las cuales les ponen su propia marca). También se incluyen las cadenas de restauración por razones similares. La Tecnología tiene que tener en cuenta también la aceptabilidad de los alimentos que elabora, especialmente a la hora de innovar, y asimismo estar al tanto de las tendencias del mercado.

TENDENCIAS EN EL CONSUMO DE ALIMENTOS  Demanda creciente de: o productos frescos refrigerados o alimentos precocinados y platos preparados o alimentos de bajo contenido en calorías o “light” o productos dietéticos  Mayor preocupación por las propiedades físicas (textura, apariencia)  Exigencia de controles de higiene y seguridad  Mayor identificación de la calidad con la marca  Aparición de la sensibilidad ambiental. Interés en el impacto ecológico de los procesos de preparación  Demanda de minoristas tipo hiper o supermercados  Demanda de servicios de atención al cliente en los centros de venta Además, la industria agroalimentaria ha comenzado a considerar que el consumidor tiene también una responsabilidad en el manejo adecuado de los productos que compra, en los que se ha añadido casi siempre una tecnología compleja y sofisticada, que el consumidor debería aprender a valorar y mantener. Por ello, diversas industrias son proclives a la educación de su clientela, y en algunos países se están fundando centros para aconsejar al consumidor, mantenidos subsidiariamente por las industrias o sus asociaciones, que son oficinas de comunicación social de la tecnología. Por otro lado, al procesado y conservación de alimentos se le exigen objetivos más allá de la perfección técnica puesta en juego y que tienen implicaciones sociales, como aprovechar al máximo las fuentes de alimentos conoc idas, desarrollar nuevas fuentes, producir alimentos dietéticamente más perfectos, innovar en función de los hábitos de vida e introducir técnicas de menor coste energético. 4.5. CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN Las industrias agroalimentarias abarcan un grupo de actividades muy diversas, orientadas a tres operaciones principales: 1. Extraer la parte comestible de semillas, frutos, tubérculos y otras materias primas como el azúcar, arroz, aceites, etc., son las industrias extractivas 2. Transformar las materias primas originales en productos de características nutritivas y sensoriales diferentes, como es el caso del pan, vino, queso, etc., son las industrias fermentativas 3. Conservar los alimentos para facilitar su transporte y almacenamiento como ocurre con los congelados, productos enlatados, etc., son las industrias de

conservación. Es decir, utilizan materias primas vegetales y animales, que someten a una serie de tratamientos físicos, químicos o microbiológicos, para dar lugar, generalmente, a productos más estables y adecuados para la alimentación. Como excepción cabe citar dos materias primas de origen mineral, el agua y la sal común, y algunos aditivos químicos.

En líneas generales, los tejidos animales y vegetales están formados por hidratos de carbono, proteínas, grasas, sales minerales, vitaminas, enzimas, ácidos orgánicos, pigmentos, aromas y sobre todo, agua. La disposición de los distintos componentes y fases del alimento, sus proporciones relativas, y la naturaleza y características específicas de cada grupo de componentes, determinan las propiedades organolépticas, físicas y nutritivas de los alimentos. Según la procedencia de la materia prima las industrias agroalimentarias se clasifican en: 1. Industrias de origen vegetal. Comprenden: a. Frutas y hortalizas (comercialización en fresco e industrialización). b. Cereales y derivados (molinería, panificación, galletas, pastas y almidones). c. Productos azucarados (industria azucarera, caramelos y chocolate). d. Grasas

y

aceites

(extracción

y

refinación,

hidrogenación,

aprovechamiento de subproductos: proteínas animales y vegetales). e. Bebidas no alcohólicas (zumos y néctares de frutas, bebidas refrescantes). f.

Bebidas alcohólicas (vino, cerveza y otras bebidas).

g. Otras industrias (especias, café y té). 2. Industrias de origen animal. Comprenden: a. Productos cárnicos (mataderos e industrias cárnicas). b. Productos lácteos (leche, queso, mantequilla, leches fermentadas y otros productos como helados). c. Pescados y mariscos. d. Huevos.

TEMA 2 BASES DE LA CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS 1. Introducción La descomposición de la biomasa, una vez muerta, es un proceso espontáneo impulsado por diferentes fuerzas biológicas que conducen a la degradación de los constituyentes iniciales, a la desorganización de los tejidos, a la aparición de sustancias indeseables o tóxicas, producto del catabolismo de microorganismos o de las propias enzimas de la biomasa, y a la proliferación de microorganismos. La “vida útil” es un concepto impreciso que solamente da una idea del tiempo que un alimento permanece útil para al consumo antes de volverse desagradable o simplemente nocivo. La vida útil, entendida de esta manera, varia dentro de un amplio margen entre diferentes alimentos, tal y como se muestra en la siguiente tabla

Como se aprecia, alimentos como la carne y el pescado se vuelven inútiles tras 1 o 2 días de almacenamiento, haciendo virtualmente imprescindible la utilización de algún método de conservación si se quiere llevar a cabo su comercialización. Otros alimentos como nueces o semillas, por el contrario, se degradan desde el principio pero a un ritmo mucho más lento, llegando a permanecer útiles por periodos de tiempo del orden del año. La manifestación del deterioro de los alimentos ocurre de una forma o de otra según el tipo de cambios que intervengan: microbianos o no microbianos, internos o externos:

Cambios bioquímicos no microbianos: producidos por constituyentes del propio organismo (enzimas), pueden ser o no perceptibles por el consumidor.

El valor nutricional de un alimento puede verse seriamente afectado sin que el consumidor lo advierta. Tales cambios incluyen pérdidas de sustancias vitamínicas y moléculas complejas que son degradadas por el propio metabolismo.

Entre los cambios que pueden ser detectados se incluyen variaciones del color, del sabor, del olor y de la textura. La mayoría de estos cambios se producen por daños o transformaciones en componentes mayoritarios del alimento. Así la alteración de pigmentos da lugar a la decoloración o a la aparición de colores extraños. Diversas reacciones químicas, desdoblamiento de azúcares y reacciones entre azúcares y sustancias aminadas dan lugar a la aparición de sabores extraños, mientras que los olores la mayoría de los casos son atribuibles a procesos de enranciamiento de los componentes lipídicos. Especial atención merecen los cambios en la textura que son consecuencia de la degradación o colapso de la estructura del tejido del alimento, ya que además de alterar la palatabilidad, facilitan el camino a subsiguientes contaminaciones microbianas.

Los cambios bioquímicos microbianos son en general los de mayor gravedad ya que no solo estropean las características organolépticas del alimento, sino que pueden volverlo tóxico o infeccioso y además, en general, progresan a una velocidad exponencial, al menos durante las fase iniciales de la infestación. Aunque la degradación microbiana en la mayoría de los casos se hace evidente al consumidor, en algunos casos permanece indetectable organolépticamente incluso en fases muy avanzadas, dando lugar a infecciones y toxiinfecciones alimentarías (salmonelosis, botulismo).

2. Factores que intervienen en la alteración de los alimentos. 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 comestibílidad 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, pardearmiento, etc.

 Bíologicas: 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 microbiológicas, así mismo, también suelen actuar conjuntamente causas químicas y biológicas. Las causas actúan de forma diferente dependiendo de algunos factores externos o ambientales.

2.1 . Factores ambientales 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 de alimento está al máximo, cuanto mayor sea el tiempo transcurrido mayores serán las influencias destructoras.

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, (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.

HUMEDAD EXTERNA Y AGUA (actividad) Aparte de provocar defectos cosméticos en la superficie de muchos alimentos, la presencia de agua interviene de manera fundamental 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. De ahí la necesidad de controlar las atmósferas de almacenamiento. Por otra parte la actividad del agua (¿recuerda la definición?) es un factor fundamental en la proliferación de microorganismos. Como se muestra en la tabla siguiente, los microorganismos necesitan una determinada actividad el agua para crecer. La comparación de la actividad del agua en los alimentos, permite determinar su susceptibilidad al ataque por los microorganismos.

AIRE Y OXÍGENO Además de los efectos que el oxígeno tiene sobre el desarrollo de los microorganismos, 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 mioglobína y la hemoglobina para dar oximioglobina y oxihemogiobina, es el origen de la vivacidad del color rojo de la carne. La oxidación transforma el hierro ferroso en hierro férrico en la mioglobina provoca la fómiación de metamiogiobina 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 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 polifenoloxidasas 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.

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.

pH Por diversos motivos fisiológicos, que implican desde la disponibilidad de nutrientes hasta variaciones en la estructura de las membranas, el pH es un factor que puede

ralentizar

hasta

virtualmnte

detener,

el

crecimiento

de

muchos

microorganismos. Ha de ser contemplado por tanto, como una fuente de información sobre los microorganismos potencialmente activos como con vistas a usarlo como un

método de conservación. Esta información se deduce de la comparación de las tablas que se presentan a continuación Intervalos de pH que posibilitan el crecimiento de algunos microorganismos.

pH de algunos alimentos

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 !os 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 deshidra-tará. 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. 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.

3. Procesos de 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.

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.

PARDEAMIENTO NO ENZIMÁTICO (REACCIÓN DE MAILLARD) Bajo este nombre 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 oxidativo, 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 aldehído o cetona, procedente de los azúcares reductores, y grupos 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.

Condensacion azúcar - amino para dormar una glucosilamina-N-sustituida. Reaccion reversible.

2.

Reordenamiento de de Amadori, la glucosilamína se transforma en una cetosimina o aldosamina.

 Paso intermedio (formación de colores amarillos y producción de olores desagradables). 3.

Deshidratación de azúcares, se forman derivados del furfural, dependiendo del pH y de la actividad de agua del sistema.

4.

Fragmentación

de

azúcares,

se

forman

diversos

compuestos

(hidroxicarbonilicos, glucoaldehido, gliceraldehido, piruvaldehido, acetol, acetoína, diacetilo, etc). 5.

Degradación de Strecker, aminoácidos más las dehidrorreductonas formadas en el paso (3) forman aldehídos con un átomo de carbono menos que el aminoácido inicial, más CO.

 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 se muestra el diagrama de reacciones, 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 CO, 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 premelanoidi-nas, que pueden contribuir a la formación de nitrosaminas, además de tener efecto mutagénico por sí mismas.

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 enranciaimiento oxidatívo. 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 com-puestos, 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 alirnentos y las causadas por microorganismos.

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, dando ternura por la proteolísis post-mortem y sabor por diversas degradaciones de la mioglobina.

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.

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 y de las condiciones de conservación, sobre todo la temperatura y la presencia o ausencia de oxígeno. 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 metabolícas 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.

Según los productos finales obtenidos, se pueden distinguir varios tipos de fermentación: alcohólica, láctica, etc. Los lípidos presentes en varios productos alirnentarios sufren la acción, muy destructora, de los microorganismos capaces de producir una lipasa, es decir los. microorganismos lipolíticos. No obstante hay que señalar que las alteraciones 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 ortofosfóríco 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 fenó-meno 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 desearboxilación, en compuestos más simples como ácidos saturados o insaturados, cetoácidos o hidroxiácidos y NH3, 0 bien en las correspondientes aminas y CO 2.

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.

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. En los alimentos se puede encontrar, por tanto, dos tipos de microorganismos:

 Los que se utilizan en su proceso de fabricación, de conservación, 0 se usan para potenciar su sabor. Este tipo de microorganismos se estudia n el tema de fermentación.

 Los que suponen la causa principal de deterioro de los alimentos.

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. Otras fuentes son la piel de los animales y las vísceras la de la carne, la superficie de las ubres la de la leche. Las características físicoquímicas del alimento, son esenciales para favorecer la instalación de una flora específica en el misino, 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.

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 microorganisnios y contribuyan a una serie de cambios simultáneos. Las bacterias, 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.

Bacterias Ademas de su elevada velocidad de crecimiento, una importante propiedad de algunas bacterias es su capacidad de formar esporas resistentes después de una propagación intensiva en condiciones favo-rables, las esporas no poseen ninguna actividad metabólica lo cual les permte sobrevivir en ambiente desfavorable.

Las bacterias de más interés, pertenecen a un número de familias relativamente restringido constituido por alrededor de una treintena de géneros diferentes de los que los más importantes son: Escherichia,

Salmonella,

Pseudonionas,

Bacillus,

Clostridiuni,

StaphylocociIís,

Sireptococcus y Lactobacillus

Algunas especies pertenecientes a alguno de estos géneros son patógenas y particularmente indeseables en los alimentos: Salinonella typhi, Staphylococcus aureus, Clostriditim botulinum, Clostridiuni perfringens,

Vibrio

parahaemolyticus,

Bacillus

aureus,

Escherichia

coli,

Campylobacter sp. Versinia enterocolitica,

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 45ºC, aunque a temperaturas inferiores a el crecimiento sufre un retras considerable. Como todas las bacterias Gram-negativas presentan una cierta sensibilidad al calor. Las temperaturas de refrigeración permiten su supervivencia, mientras que la congelación provoca un descenso considerable de su número. Soportan un rango de pH entre 4,5 y 9, con un óptimo de 6,5. Los alimentos más a rnenudo 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.

El Closiridiumt botulinum es tartibíén una bacteria Gram-positiva esporulada, anaerobia estricta. La temperatura óptima de crecimiento es 30ºC y la mínima 5ºC. Estos datos ponen de manifiesto la aptitud del tipo E para germínar, desarrollarse y producir toxina a bajas temperaturas, mientras que los demás tipos necesitan temperaturas bastante más elevadas. C. 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 Stapliylococcus aureus, es una bacteria no esporógena , con un intervalo de crecimiento entre 6 y 45ºC con un óptimo entre 37 y 40. El rango de pH al que puede desarrollarse es de 4,5 a 9,3 y crece a una actividad de agua de 0,88. Las enterotoxinas que produce son muy resistentes al calor.

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 puladores de los alimentos, etc. No sobrevive a temperaturas de congelación durante largos periodos.

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, transforinándolos gracias a sus poderosos sistemas enzimáticos.

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 30'C con un óptimo de crecimiento alrededor de 20 -25C, 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 corno agentes térmicos: Aspergillus candidus, bastante común en granos, puede hacer subir espontáneamente la temperatura de un silo hasta 55"C, 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, a.) el parámetro más importante. A 25C algunas especies pueden crecer a una k < 0 JO, 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 k 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 organolépticas, 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),

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 minera¡ 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 fermentatíva, después de una fase inicial de crecimiento aeróbico.

La temperatura de crecimiento está comprendida entre 5 y 30-37'C, el valor óptimo se sitúa hacia los 25ºC.. 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.

Las levaduras no dan lugar a intoxicaciones alimentarias y únicamente Candida albicans y Cryptococcus neoformaris 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 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. 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:

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. Aunque en general estas reacciones hipotéticas de degradación pueden implicar varios reactivos y dar órdenes de reacción complejos, consecuencia de mecanismos complicados, a menudo son comunes las situaciones:  La concentración del sustrato degradado es grande y su concentración no varia en el periodo de conservación.  La degradación la causa un agente (enzimas, ...) presente en mucha menor cantidad que el sustrato degradado.  El sustrato degradado es un componente minoritario y su concentración varía

mucho más que la de otros sustratos.

En estos casos, bastante comunes, y los únicos que se consideran en la práctica, la velocidad de estas reacciones hipotéticas se puede expresar en función de una pseudo constante k y un pseudo orden n según

Tomando el signo según sea el atributo de calidad un componente que se pierde (ej. una vitamina) o un producto de degradación que aparece. Esta simplificación da lugar a la siguiente clasificación.

Reacción de orden cero Consideremos un atributo de calidad Q, que disminuye durante el periodo de almacenamiento. Un orden cero implica que

Que se integra a: Q = Q0 - k·t 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. Una variación lineal implica siempre orden cero.

Si el final de la vida útil, tf, se alcanza cuando el atributo de calidad toma un cierto valor, llamado Qf, tendremos: Qf = Q0, - k·tf Y la vida útil, tf = (Qf - Qf)/k 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.

Reacción de primer orden Obtenga vd expresiones análogas para la cinética de pseudo primer orden.

Vida media 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: Teniendo en cuenta que la condición es que Q=Q 0/2, deduzca expresiones que relacionen el pseudo orden y la pseudo constante con la vida media.

La rnayoría 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

4.1. 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 constantes, pero es un hecho conocido que la temperatura es un factor tan primordial en la velocidad de degradación que su sola manipulación constituye un método de conservación por sí misma.

Este efecto se puede atribuir en un a un cambio en la constante de la velocidad de la reacción de degradación antes descrita (k). Si bien es cierto que la relación entre la k y la temperatura puede adquirir una forma muy compleja, en general resulta muy útil representar la relación k vs T mediante la ecuación de Arrhenius

Que significa permite deducir valores de la constante de reacción a diferentes temperaturas si se conocen los parámetros k0 y Ea O su forma logarítmica, que permite obtener los parámetros de la ecuación a partir de datos experimentales.

Cuestión: ¿Qué puede deducir del principio general que dice que una disminución de 10ºC de la temperatura produce una duplicación del tiempo de conservación?

Tema 3 Química de los alimentos OBJETIVOS:  Conocer la composición de las principales clases de alimentos.  Conocer la naturaleza química de los macronutrientes (proteínas, hidratos de carbono y lípidos) y micronutrientes contenidos en los alimentos.  Describir las reacciones químicas más significativas que pueden tener lugar durante el procesado de los alimentos  Conocer las reacciones químicas específicas que tienen lugar en la elaboración y conservación de alimentos

(reacción de

Maillard, gelatinización del almidón,

desnaturalización de las proteínas, oxidación e hidrólisis de lípidos y formación de puentes disulfuro)  Ver ejemplos de estas reacciones químicas.

Vitamina C

1. Nutrientes en los alimentos Entenderemos agrupados en el término “nutrientes” cualquiera de las sustancias contenidas en los alimentos que pueden ser asimilados por el organismo (humano) para cumplir una función metabólica. Esta definición puede resultar un poco restrictitiva ya que componentes como la fibra alimentaria no son digeridos ni asimilados por el ser humano, pero cumplen una importante función durante la digestión.

Distinguiremos como macronutrientes a aquellas sustancias que constituyen la parte principal del alimento, entre las que se encuentra  agua  proteínas  lípidos  hidratos de carbono (incluyendo entre éstos a la fibra alimentaria)

Por otra parte existen otros compuestos que denominaremos micronutrientes que aparecen en pequeñas cantidades pero que son componentes esenciales para una alimentación humana adecuada. Entre los micronutrientes consideraremos también una clase particular de sustancia que pueden o no ser asimiladas, pero que tienen gran importancia porque transmiten a los alimentos color, olor y sabor, aunque su papel en el metabolismo sea prescindible o inexistente.

También es conveniente tener en cuenta que, además de nutrientes, también se habla de algunos componentes como tóxicos o antinutrientes. Por tóxico se debe entender cualquier sustancia que, una vez absorbida, es susceptible de provocar enfermedades o interferir en el metabolismo con consecuencias negativas para el organismo. Antinutriente es aquella sustancia que interfiere en la absorción o asimilación de un nutriente disminuyendo, por tanto, el valor nutritivo del alimento.

A continuación estudiamos cada uno de estos nutrientes, sus propiedades químicas y las reacciones más significativas que se pueden producir durante el procesado de los alimentos.

2. Agua Además de ser un alimento es sí mismo, el agua es un componente principal (mayoritario) en la mayoría de los alimentos, llegando a formar el 90% en alimentos como leche, frutas y hortalizas, mermeladas etc., el 75% en carnes, pescado y quesos frescos y

del 50% en quesos semicurados y curados, y embutidos, por ejemplo.

Existen alimentos con bajo o nulo contenido en agua. En algunos de ellos esta falta de agua es consecuencia de su naturaleza, como el azúcar (único alimento cristalino), los frutos secos o las legumbres. En otros algunos su falta de agua es consecuencia de un método de fabricación o conservación (algunos ahumados y salazones, sopas de sobre y todos los productos deshidratados destinados a su reconstitución). El agua es una sustancia muy inerte y en los alimentos no presenta problemas de degradación. Los esfuerzos de conservación se reducen a evitar su cambio de fase o migración (que el alimento se seque o pierda la textura) y a manipular su actividad, para reducir la proliferación de microorganismos.

2.1. Transición cristalina y aw Sustancias como algunas proteínas e hidratos de carbono pueden encontrarse en un estado cristalino o en un estado amorfo. El que un alimento se encuentre en un estado u otro resulta de suma importancia ya que se produce una importante variación en sus propiedades mecánicas y, en consecuencia, en su textura. Por ejemplo, alimentos como snacks (patatas chips, doritos…etc.) y copos de cereales alternan ente el estado cristalino y el amorfo.

En el estado cristalino los alimentos tienen una estructura ordenada (cristalina) que les confiere rigidez y les permite mantener su estructura interna. Muchos alimentos crujientes están en el estado cristalino. El estado cristalino se alcanza y se mantiene a temperaturas bajas y humedades (contenido en agua) bajas.

En el estado amorfo los alimentos se vuelven deformables e incluso fluidos, lo que puede llevar a la destrucción del alimento si esta transición llega a ocurrir durante el proceso de fabricación.

La temperatura a la que un alimento pasa del estado amorfo al cristalino se denomina “temperatura de transición cristalina”, TC. Cuando la temperatura del alimento sube por encima de TC éste pasa al estado amorfo volviéndose deformable y colapsable. TC depende del grado de humedad del alimento. Así, alimentos húmedos se

vuelven amorfos a temperaturas bajas, mientras que los alimentos secos requieren temperaturas muy superiores. La siguiente figura muestra la dependencia entre TC y la humedad de un alimento tipo formado por almidón y agua.

En muchos procesos de fabricación es muy importante controlar el grado de humedad antes del tratamiento térmico para impedir que se produzca la transición al estado amorfo al elevar la temperatura. Por ejemplo, un snack de maíz mientras está siendo cocido permanece cristalino hasta 150ºC sólo si la humedad está por debajo del 5%, lo cual es imprescindible para la fabricación de estos productos. Por otra parte, los gusanitos ™ y las patatas fritas, de estructura cristalina a temperatura ambiente, se vuelven flexibles y dejan de ser crujientes al rato de abrir la bolsa porque absorben humedad del ambiente y sus almidones pasan al estado amorfo incluso a temperatura ambiente.

3. Proteínas, valor biológico, desnaturalización. Las proteínas son un macronutriente cuya principal característica es ser nitrogenado al estar compuestas de largas cadenas de ácidos orgánicos aminados en el carbono contiguo al grupo carboxilo (posición alfa). Éstos ácidos aminados en el carbono más cercano al grupo carboxilo se conocen como aminoácidos.

Un aminoácido responde a la formula R-CNH2COOH (ver dibujo al margen) donde R puede ser cualquier cadena carbonada. El aminoácido más sencillo es la “Glicina”, donde R=H (un átomo de hidrógeno). La glicina aparece profusamente en una proteína denominada “colágeno” (la gelatina).

Sin embargo no cualquier cadena R forma un aminoácido de interés alimentario. En general en los sistemas biológicos y en concreto en la alimentación humana hay 20 aminoácidos que son utilizados por el cuerpo humano y que son, por tanto los que deben contener los alimentos. Estos aminoácidos son:

TODAS las proteínas son cadenas lineales de estos aminoácidos.

Los aminoácidos pueden formar largas cadenas debido a que pueden unirse por un tipo de enlace característico denominado “enlace peptidico”. Un enlace peptídico se produce cuando el grupo carboxilo (- COOH) de un aminoácido reacciona con el grupo amino (NH2) de otro, liberando 1 molécula de agua y formando un nuevo enlace covalente entre el carbono y en nitrógeno. Las cadenas de aminoácidos pueden tener desde unos pocos aminoácidos hasta millones de ellos. Las cadenas de unos pocos aminoácidos hasta unos cientos se denominan “polipéptidos”. Cadenas de pocos cientos hasta algunos miles, se denominan oligopéptidos.

Las cadenas de longitud superior se denominan proteínas. La diferencia con los oligopeptidos, más que en el tamaño, viene dada porque las proteínas tienen una ESTRUCTURA y CONFORMACIÓN ESPACIAL características, que vienen causadas por plegamientos de la cadena de aminoácidos sobre sí misma. Esta estructura queda fijada por interacciones entre aminoácidos de la cadena, que pueden ser fuerzas de Van der Vaals, puentes de hidrógeno o por la formación de puentes disulfuro.

La estructura espacial de la proteína no tiene importancia respecto a su valor nutritivo, pero sí puede tenerlo respecto a las propiedades físicas y organolépticas del alimento.

Por ejemplo, el huevo se cuaja porque las proteínas pierden su estructura original compacta y replegada sobre sí mismas y se desenrollan formando una estructura tridimensional con otras proteínas. Otro ejemplo es la fabricación del pan, que requiere la formación de puentes disulfuro.

3.1. Valor nutritivo La ingesta de proteínas resulta imprescindible para mantener la vida. Es importante que la ingesta de proteínas sea adecuada en cantidad y calidad para mantener la salud y el bienestar.

Respecto de la cantidad de proteínas, la ingesta de considerada normal se encuentra entre 0,8 y 1,5 g por kg de peso corporal y día, dependiendo de la edad y

género del sujeto, pero se puede sobrevivir con cantidades menores. En casos -1 -1

especiales, están indicadas ingestas de hasta 2,5 g g d .

La calidad de las proteínas depende de su composición en aminoácidos. De los 20 necesarios, el cuerpo humano puede sintetizar 12. Si la ingesta de alguno de estos es deficitaria, el hígado humano es capaz de sintetizar una cantidad suplementaria para cubrir las necesidades del metabolismo. Sin embargo, hay 8 aminoácidos que no se pueden sintetizar en el cuerpo humano y que deben ser ingeridos con la dieta en las cantidades necesarias. A éstos se les denomina aminoácidos esenciales.

3.1.1. Aminoácidos esenciales Son los siguientes:

 Valina  Leucina  Isoleucina  Fenilalanina  Treonina  Lisina  Metionina  Triptófano Las cantidades que se deben ingerir están recogidas en el patrón FAO (recomendaciones originalmente recogidas en 1957 y revisadas en 1973, el valor puede ser revisado ante avances en los estudios nutricionales) que se muestra a continuación. Las cantidades necesarias de cada aminoácido esencial son proporcionales los requerimientos de proteína total y vienen expresados como porcentajes mínimos de contenido.

Pauta de referencia de aminoácidos de la FAO-OMS (1973) y comparación con proteínas de otras fuentes.

Patrón FA O 1973

Proteína de leche de vaca

Proteína de huevo

Leucina

7.0

9.9

9.0

Isoleucina

4.0

6.4

6.8

Valina

5.0

6.9

7.4

Lisina

5.5

7.8

6.3

Metionina+cisteína

3.5

3.3

5.4

Fenilalanina+tirosina

6.0

4.9

6.0

Treonina

4.0

4.6

5.0

Triptófano

1.0

1.4

1.7

Aminoácido

(Por sus interacciones respectivas se consideran juntos metionina-cisteína y fenilalanina-tirosina)

(En alimentación infantil, se considera que la histidina es también aminoácido esencial la histidina)

La composición en aminoácidos determina el valor biológico.

3.1.2. Valor biológico La calidad nutricional de una proteína se cuantifica por un número denominado Valor Biológico. Es conveniente usar un único número ya que de lo contrario habría que estar manejado siempre el contenido de los 8 aminoácidos esenciales.

El Valor Biológico es un número estandarizado, definido por convención y que expresa lo adecuada que es una proteína para el consumo humano. Una proteína con valor biológico elevado satisface las necesidades en aminoácidos esenciales con la ingesta mínima recomendada.

Para ello, la proteína ha de contener los aminoácidos esenciales en proporción adecuada a las necesidades del cuerpo humano. Es decir, una proteína es adecuada cuando no es deficitaria en ninguno de los aminoácidos esenciales.

Una proteína que carezca de algún aminoácido (o escasee, como la lisina en las

legumbres) es menos deseable ya que para cubrir las necesidades del aminoácido esencial que más escasee, hay que consumir una cantidad más grande de proteína total. Esto es indeseable porque la proteína es cara y no se puede acumular en el cuerpo, dando nitrógeno de excreción que obliga al hígado y al riñón a trabajar más.

La calidad biológica se cuantifica utilizando un patrón al que se le da el valor 100. Hasta hace poco era el huevo. Luego se sustituyo por una proteína pautada de referencia. El valor biológico es el cociente (multiplicado por 100) entre los dos siguientes valores:

1. Cantidad de la proteína en cuestión necesario para satisfacer las necesidades del aminoácido esencial más escaso 2. Cantidad de proteína pautada que hace falta para cubrir las necesidades de ese mismo aminoácido

Es decir, una persona de 70 kg necesitaria un mínimo de 0,8 ·70=56 g de proteína al día. Si consume proteínas de VB=100, sus necesidades en aminoácidos esenciales están cubiertas. Si, por el contrario, la proteína tiene un VB=50, necesitará consumir el doble para cubrir sus necesidades.

Así, alimentos como la carne de vaca tienen un valor biológico de 74, la harina de trigo 52, el huevo 94 y algunos componentes de la leche (fracciones de albúmina que actualmente se separan por ultrafiltración y se venden como concentrados en polvo) hasta 140. Operativamente, el VB se puede calcular por la formula:

Donde %AA denota el contenido en aminoácido esencial más escaso de la proteína en cuestión, y %P es el contenido de ese mismo aminoácido en la proteína patrón.

Puesto que el valor biológico viene dado por el aminoácido más escaso, éste se puede mejorar mediante mezclas adecuadas de alimentos que se complementen. Ejercicio: Eva lúe el valor biológico de las proteínas de huevo y leche mostradas en la tabla anterior.

Ejercicio: Busque la composición de harinas de cereales y legumbres y evalúe el VB de sus proteínas. Recopile los datos de aminoácidos esenciales más escasos en cada uno de éstos productos.

Ejercicio: Con los datos anteriores pruebe a proponer mezclas de harinas que sean complementarias en los aminoácidos deficitarios y evalúe el valor biológico de las mezclas. Se dará cuenta de que la complementación por mezcla es una manera eficaz y asequible de obtener proteína barata y de elevado valor biológico.

3.2. Alimentos proteicos: Entre los alimentos considerados proteicos, se encuentran los siguientes grupos

Carne y productos cárnicos Son productos de contenido fundamentalmente proteicos, especialmente las carnes de ave y los cortes magros, aunque algunos derivados pueden tener un contenido en grasa superior al contenido proteico.

Leche y derivados: quesos y fermentados Tienen un contenido significativo de prote ínas aunque no siempre es el nutriente mayoritario. A diferencia de los cárnicos, los lácteos pueden tener un contenido significativo de azúcares. En algunos quesos muy grasos, el nutriente predominante es la grasa.

Semillas proteaginosas: cacahuete, soja, legumbres. Se denominan así a un grupo de semillas que contienen un elevado contenido en proteínas, a diferencia de otras semillas como los cereales, con un contenido predominante de hidratos de carbono o de las oleaginosas, que tienden a acumular grasas, como las pipas de girasol.

Pescado Es un alimento fundamentalmente proteico, especialmente los pescados “blancos”. Algunos pescados pueden tener además un contenido graso de hasta el 30%. Los esqueletos y pieles de pescado son un fuente importante de la proteína fibrosa denominada “colágeno”, que es un producto industrial de primera necesidad por ser la base de productos como colas y gelatinas y entrar en la composición de muchos

alimentos preparados.

Huevos Es un alimento muy rico en proteínas y además éstas son de un elevado valor biológico. La clara es prácticamente proteína pura, con trazas de azúcares. La yema también es fundamentalmente proteica, aunque tiene un contenido graso muy importante, siendo de destacar su elevado contenido en el lípido colesterol.

3.3. Reacciones Químicas Las proteínas sufren ciertas reacciones químicas de importancia con vistas a su procesado y que deben ser tenidas en cuenta a la hora de modificar las condiciones del entorno (como pH, humedad o temperatura) ya que pueden provocar cambios indeseables irreversibles.

Por otra parte, algunos de estos cambios forman parte natural del cocinado y en algunos procesos pueden ser deseables.

Las principales reacciones son:

3.3.1. Desnaturalización Las proteínas se encuentran en los tejidos animales y vegetales con una conformación (forma y estructura espacial) muy específica, que les confiere sus propiedades (catalíticas, si sin enzimas, resistencia, solubilidad…etc).

Esta estructura es consecuencia, como se ha dicho, de un replegamiento muy específico de la cadena de aminoácido mantenido por interaciones entre aminoácidos que a veces son muy débiles: fuerzas de Van der Vaals, puentes de hidrógeno, o lábiles, como los enlaces disulfuro. En condiciones agresivas, estas interacciones cesan. Por ejemplo, si se retira el agua, no puede haber puentes de hidrógeno. Los puentes disulfuro se rompen en condiciones reductoras. En cualquier caso, al aumentar la temperatura la agitación térmica se hace más intensa y las fuerzas intermoleculares no son suficientes para mantener la estructura. En estos casos, la cadena de aminoácidos tiende a desplegarse de una forma arbitraria, perdiendo su estructura tridimensional y pasando a ser un conjunto de cadenas deshilachado. A menudo se establecen en estas

condiciones interacciones intermoleculares que se observan como cambios dramáticos en las propiedades reológicas del alimento. Los cambios que ocurren en todos los procesos de cocinado pueden ser atribuidos al menos en parte a la desnaturalización de proteínas. Un ejemplo en el que la desnaturalización de proteína es crítica es en los procesos de pasteurización de derivados de huevo. El huevo pasteurizado (o sus derivados, como yema, claras o mezclas) ha de ser pasteurizado a temperaturas bajas, que no pueden superar los 62ºC. El control estricto de la temperatura en estos procesos es crítico.

3.3.2.

Hidrólisis química y enzimática. Las proteínas experimentan reacciones de la cadena que tienen lugar entre los enlaces peptídicos formados entre aminoácidos. Estas reacciones tienen lugar con la incorporación de una molécula de agua para repones el H- del grupo amino escindido y el –OH del grupo carbonilo. Por ello se denominan hidrólisis.

La hidrólisis puede ser una reacción indeseable o deseada, ya que puede estropear el alimento aunque, por otra parte, también sirven para fabricar alimentos especiales.

La hidrólisis es indeseable cuando estropea la calidad de los alimentos. Esto ocurre porque la rotura de las cadenas provoca cambios reológicos en los alimentos, incluso en su estado de agregación (la gelatina se licua en presencia de papaína, enzima proteolítica contenida en frutas tropicales, porque rompe las cadenas de colágeno).

La hidrólisis es el fundamento de fabricación de algunos alimentos, como hidrolizados de cereales, muy útiles en alimentos para niños o ancianos o en cualquier condición clínica en la que su fácil digestibilidad pueda ser útil Estas reacciones pueden tener lugar de forma puramente química o pueden ocurrir por estar catalizadas por una enzima. La naturaleza de cada una es muy diferente.

La Hidrólisis Química tiene lugar cuando las condiciones ambientales favorecen la rutura del enlace peptídico. Esto suele ocurrir cuando se fijan valores extremos del pH, normalmente acompañados de alta temperatura, dando lugar a hidrólisis ácida o alcalina. Son métodos de hidrólisis que se pueden usar para obtener desde mezclas de polipéptidos de diversa longitud media, hasta aminoácidos, a partir de proteínas. Sin embargo, dadas las condiciones extremas en las que se verifican pueden tener lugar reacciones de degradación secundarias que no hacen de este método el más apto para la producción de alimentos.

La Hidrólisis enzimática está catalizada por enzímas y puede transcurrir en condiciones mucho más suaves de pH y temperatura. Las enzimas, además, tienen una mayor especificidad y pueden elegirse para atacar solo determinados sustratos y romper sólo determinados enlaces, por lo que es posible controlar con precisión el producto resultante.

La hidrólisis enzimática da productos uniformes, de composición conocida y de buena calidad. Ejemplos de enzimas proteolíticas son la tripsina, muy activa e inespecífica, que se puede usar para obtener péptidos muy cortos o aminoácidos, o la papaína, que ha sido comercializada como ablandador de carne.

3.3.3.

Reacciones con azúcares Los grupos amino de algunos aminoácidos terminales pueden reaccionar de forma irreversible con los grupos carbonilo de algunos azúcares reductores (como la glucosa) dando compuestos que hacen perder la funcionalidad de la proteína al alterar su conformación o solubilidad. Una de estas reacciones es el denominado “pardeamiento de Maillard”, que resulta en compuestos de un característico color marrón que entran en la composición de alimentos como la corteza del pan y el color dorado de otros productos horneados. Por el contrario, es indeseable en productos como la leche, que puede pardearse durante la esterilización térmica si el proceso no es adecuado. La reacción de Maillard se describe en la sección de hidratos de carbono.

3.3.4.

Pirólisis y carbonización Son enérgicas reacciones de degradación de las proteínas causadas por temperaturas muy elevadas y que son, en general, indeseables por producir intermedios radicalarios y sustancias potencialmente cancerígenas, como los benzopirenos.

Las reacciones de pirolisis conllevan la rotura de las cadenas carbonadas de los aminoácidos, y no solo de los enlaces peptídicos. En la carbonización ocurren además deshidrataciones y perdida de volátiles que redicen la parte carbonizada del alimento a una sustancia de composición indefinida y reducido valor nutritivo. Por otra parte, también forman parte de algunas técnicas de cocinado como el asado a la plancha, a la parrilla o en barbacoas, siendo estos productos de la degradación una parte importante del sabor y del olor típico de estos productos.

4. Lípidos Los lípidos son una familia muy amplia de sustancias que incluye compuestos de muy diversa naturaleza. Tienen en común que se disuelven en disolventes relativamente apolares, y esto es lo que los diferencia de proteínas e hidratos de carbono a la hora de clasificarlos.

En este tema nos vamos a ceñir a los lípidos que desempeñan el papel de macronutrientes, que son las grasas, así como algunos de sus derivados inmediatos. Veremos también brevemente el colesterol, por la importancia que tiene el la formulación de nuevos alimentos. En un apartado posterior, veremos algunas sustancias de naturaleza lipídica que no son estrictamente nutrientes pero tienen gran importancia en la calidad organoléptica de los alimentos, como son pigmentos y aromas.

4.1. Grasas y sus derivados Químicamente, las grasas son esteres del ácidos grasos con el trialcohol glicerina o glicerol (trihidroxipropano). Por ello se les denomina genéricamente triacilgliceroles o triacilglicéridos. En algunas grasas modificadas el glicerol se encuentran esterificado sólo parcialmente, dando mono o digliceridos (mono o diacilgliceroles, para ser

correctos). Estos productos artificiales tienen gran interes en la fabricación de alimentos ya que actúan como emulgentes, o modificadores de la textura. Los ácidos grasos que forman parte de las grasas son ácidos orgánicos, que por lo tanto contienen el grupo carbonilo –COOH y una cadena carbonada lineal. Con raras excepciones, todos los ácidos grasos de origen natural contienen un número par de carbonos.

Los ácidos grasos contenidos en las grasas de interés alimentario pueden tener insaturaciones (dobles enlaces) en la cadena carbonada. Aunque el número más habitual de instauraciones es 1, hay ácidos grasos poliinsaturados con hasta 6 insaturaciones y algunos de éstos son muy importantes en la alimentación humana por ser nutrientes esenciales (que el organismo no puede sintetizar y han de ser ingeridos con la dieta). Las instauraciones nunca son conjugadas y de forma natural siempre tienen lugar en la forma isomérica cis (de hecho, las grasas trans han sido clasificadas a menudo como indeseables).

Los ácidos grasos se nombran escribiendo el número de carbonos seguido de dos puntos y el número de instauraciones que tiene. Además, los ácidos grasos más habituales tienen un nombre común clásico. Por ejemplo, el ácido característico del aceite de oliva tiene 18 carbonos y 1 insaturación, por tanto, se denomina 18:1. Es conocido clásicamente como ácido oleico. Cuando es necesario indicar la posición de las instauraciones, se hace indicando el número de carbonos que distan desde el último carbono de la cadena, el más lejano del grupo carboxilo (por eso se denomina carbono ω). Para ello se escribe la letra omega seguida del número de carbonos que separan a la instauración del carbono distal. Por ejemplo, el ácido de 20 carbonos con 5 insaturaciones que empiezan a 3 carbonos del átomo omega se denota 20:5ω3, y se denomina Eicosapentaenoico (EPA).

4.1.1. Valor nutritivo Las grasas son los macronutrientes más energéticos por su estado de oxidación muy reducido. Son un importante vehículo (acompañamiento) de proteínas y dan a los alimentos sabor y olor. Además, las grasas, especialmente las de origen marino contienen algunos ácidos grasos que el organismo humano no puede sintetizar con la suficiente

rapidez como para cubrir sus necesidades. Estos se conocen como ácidos grasos

esenciales

y

son

el araquidónico

y

el eicosapentaenoico,

fundamentalmente.

4.1.2. Tipos de grasa y calidad Las principales diferencias entre las grasas aptas para ser empledas como alimento vienen dadas por la longitud y grado de insaturación de sus ácidos grasos constituyentes. Aunque las grasas se pueden clasificar de esta forma, resulta más conveniente decribirlas por el tipo de alimento del que proceden, ya que dentro de un mismo grupo de alimentos las grasas tienen características comunes.

Así las grasas animales están constituidas mayoritariamente por ácidos grasos saturados de 16 y 18 carbonos. Las grasas saturadas cristalizan más fácilmente y por ello son sólidas a temperatura ambiente. Grasas comerciales de este tipo son la mantequilla, la manteca de cerdo, sebo de vaca y las “pellas” o depósitos grasos que rodean las vísceras de algunos animales y que son muy apreciadas culinariamente.

La distribución de ácidos grasos en la grasa de un animal puede depender mucho de su alimentación.

Las grasas vegetales suelen tener más instauraciones aunque algunas son saturadas, como la del cacao, palmiste y copra de coco, por lo que aparecen de forma sólida.

Los aceites, como se suele denominar a las grasas líquidas, son de origen vegetal característico y se caracterizan por su insaturación. Aceites como el de oliva tienen una composición predominantemente en AG monoinsaturado 18:1 (oléico). Otros aceites tienen un mayor grado de insaturación, como el de algodón, girasol o lino, que contienen ácidos diinsaturados (linoleico) y triinsaturados (linolénico).

Los aceites marinos se caracterizan por tener un mayor grado de instauración, siendo habituales hasta 5 (eicosapentaenoico 20:5) y 6 (docosahexaenoico, 22:6) insaturaciones. Es de destacar que las instauraciones

de estos aceites comienzan a 3 carbonos del extremo distal de la cadena, siendo por tanto el grupo de grasas denominadas ω3.

A estas grasas se les ha atribuido recientemente un papel destacado en la regulación de los niveles de colesterol y triacilglicéridos en el plasma humano, por lo que se les denomina “grasas saludables” y han sido introducidos en algunos alimentos, como leche o margarinas.

4.1.3. Alimentos fuentes de grasa. Las grasas se encuentran muy ampliamente distribuidas en los alimentos en mayor o menor grado. Entre los alimentos más importantes de contenido graso por su cantidad o interés podemos citar los siguientes Los tejidos grasos animales: contienen grasas mayoritariamente saturadas. Entre éstos se pueden mencionar el sebo de vaca la manteca de cerdo, las vísceras y las “pellas”. Son importantes por sus cualidades mecánicas (son sólidas muchas de ellas). El sebo de vaca es un importante producto industrial destinado a la fabricación de jabones, ácidos grasos y glicerina.

Los lácteos son también un grupo con importante contenido en grasa que es predominantemente saturada. Especialmente importante es el contenido en grasa de la mantequilla, seguida de la nata de alto contenido (heavy cream, nata para montar).

Las semillas (y frutos) oleaginosas: representan probablemente la fuente más abundante de materias grasas. Algunas grasas vegetales son saturadas, como los aceites de palma y palmaste, y otras además, de cadena corta, como el aceite de coco. Por otra parte, la mayoría de las oleaginosas contienen aceites de grados de instauración que varían entre 1 y 3, entre los que se puede resaltar el girasol, algodón, soja, colza y el lino. La conservación de los aceites poliinsaturados en complicada, ya que tienden a oxidarse y a polimerizarse. A menudo es necesario envasarlos en botella opaca, de pequeño volumen y se han de mantener refrigerados.

La hidrogenación catalítica eleva la saturación de estas grasas, estabilizándolas y solidificándolas, pero haciéndoles perder totalmente sus

propiedades saludables.

Los aceites marinos: se caracterizan por su elevado grado de instauración y por la abundancia de ácidos ω3. La fuente más abundante de estos aceites son algunos tejidos provenientes de especies marinas, especialmente las vísceras (hígado de bacalao, halibut ... etc). También se pueden obtener en algunos casos de microorganismos.

4.1.4. Reacciones químicas. Hidrólisis: Es la reacción más habitual. Conlleva la ruptura del enlace ester con el glicerol y la aparición de ácidos grasos libres que comunican mal sabor al producto y son irritantes y ligeramente tóxicos. El refinado de aceites tiene por objeto precisamente rebajar el contenido de estos ácidos grasos libres mediante un lavado con agua moderadamente alcalina.

La hidrólisis puede tener un origen meramente químico o estar producida por un mecanismo enzimático. Los tejidos animales y vegetales contienen lipasas que se pueden poner en contacto con las grasas tras la desorganización de los tejidos y producir hidrólisis. Si es el caso, las lipasas deben ser desactivadas térmicamente.

Saponificación: Es una reacción de hidrólisis química provocada por la adición de un cáustico como NaOH, KOH o alguna lejía, en el caso de jabones industriales. El resultado es la ruptura del enlace ester y la aparición de las sales alcalinas de los ácidos grasos mezcladas con la glicerina. El producto es el jabón. La saponificación ha sido sustituida por la hidrólisis catalítica a alta temperatura. Pirólisis: Es una destrucción térmica provocada por la alta temperatura. Implica la destrucción del enlace ester en primer lugar y procede con volatilización de ácidos grasos, oxidaciones diversas y y formación de acroleína por la degradación de la glicerina. Ocurre cuando se ve el aceite caliente desprendiendo un humo blanco y es muy perjudicial para la calidad del aceite con vistas a la fritura.

Oxidación, Peroxidación, polimerización: Los aceites insaturados pueden reaccionar con el oxígeno del aire con facilidad. Esta reacción es radicalaria y está promovida por la luz. Los peróxidos pueden ser intramoleculares, formando compuestos con típico sabor a “rancio”, o intermoleculares, lo que llega a dar lugar a una polimerización con formación de un gel que llega a endurecerse. Esta reacción es típica de los “aceites secantes”, como el de linaza, que tienen aplicación en la fabricación de barnices. Hidrogenación

catalítica:

Las

grasas

insaturadas

admiten

la

incorporación de H2 en sus dobles enlaces en procesos catalíticos llevados a cabo en atmósfera de hidrógeno a alta temperatura. La hidrogenación estabiliza las grasas insaturadas rindiendo productos sólidos de baja instauración que son la base para la fabricación de margarinas. Los procesos de hidrogenación son incompletos y siempre dejan algunos dobles enlaces. Algunos de estos dobles enlaces residuales aparecen en posición trans, dando origen a unas sustancias que no ocurren en la naturaleza. Se ha sugerido que estas grasas trans podrían no metabolizarse correctamente y

4.1.5. Índices de calidad. Los siguientes índices analíticos se emplean a menudo como parámetros de calidad o como un índice del estado de degradación de las grasas.

4.2. Colesterol El colesterol es un lípido pero no una grasa, ya que no corresponda a la estructura de glicerol esterificado con ácidos grasos que hemos descrito.

El colesterol es

una

de

las

muchas

moléculas

con

núcleo

de

ciclopentanoperhidrofenantreno que existen en el cuerpo humano y que tiene notables funciones biológicas, entre las que se cuentan:  Forma parte de las membranas celulares, regulando su flexibilidad  Forma sales biliares  Es la base de la que se derivan multitud de hormonas esteroide con intensos efectos biológicos.

El colesterol es imprescindible para el funcionamiento fisiológico del cuerpo humano pero no es un nutriente esencial ya que el hígado humano tiene la facultad de sintetizarlo en cantidades muy superiores a las necesarias.

El contenido en colesterol es importante porque su presencia excesiva en sangre (por encima de 240 mg / 100 mL) es una condición clínica anormal denominada hipercolesterolemia que constituye un problema de salud publica en el mundo occidental por causar enfermedades coronarias. Los alimentos más ricos en colesterol, contraindicados especialmente en casos de hipercolesterolemia, son:  Yema de huevo  Sesos  Vísceras en general. El consumo de grasas saturadas hace aumentar el colesterol indirectamente. El control del contenido en colesterol de los alimentos es cada vez más importante. Recientemente se comercializan alimentos funcionales que pueden bajar el colesterol al incorporar ácidos grasos ω3 y fitoesteroles.

5. Hidratos de carbono Químicamente, los hidratos de carbono son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas que responden a la fórmula empírica C(H 2O)n. Hay que distinguir desde un principio entre los hidratos de carbono simples (azúcares, mono o disacáridos) y los complejos (polímeros de monosacáridos, como son los almidones, celulosa y el glucógeno)

La sacarosa, el “azúcar de mesa” es un disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y otra de fructosa.

5.1. Valor nutritivo Tienen un papel fundamentalmente energético por su facilidad de metabolización. Carecen de cualquier papel estructural y están prácticamente ausentes de los tejidos animales.

No son compuestos esenciales ya que el organismo humano tiene la capacidad de sintetizar todos los azúcares y polisacáridos que necesita a partir de piruvato. Sin embargo, dado que el organismo humano es incapaz convertir los ácidos grasos en azúcar que los aminoácidos producen muchos desechos al ser convertidos en hidratos de carbono, se entiende, que pese a que los hidratos de carbono no son compuestos esenciales en la dieta, en la práctica resulta imprescindib

Actualmente está considerado que los hidratos de carbono deben ser la base energética de la alimentación. El cuerpo humano puede convertirlos en grasa.

En la práctica, los hidratos de carbono son usados en la industria agroalimentaria como material de relleno barato ya que se producen en el mundo en cantidades ingentes y a precios muy bajos.

5.2. Tipos de hidratos de carbono Aunque hay dos tipos básicos (polisacáridos y azúcares simples), conviene considerar un tercer y un cuarto grupo ya que incluiremos a la fibra alimentaria (otro polisacárido) y un grupo de compuestos que no son propiamente dicho hidratos de carbono pero se encuentran muy relacionados con estos, que son algunos alcoholes, como la glicerina, el etanol y algunos azúcares-alcohol que han alcanzado gran popularidad como edulcorantes en los últimos años.

5.2.1. Azúcares simples: Fundamentalmente mono y disacáridos presentes de forma natural en alimentos como frutas, hortalizas, miel, azúcar refinado, raíces, leguminosas ...etc; y agregados en el proceso de fabricación de infinidad de productos manufacturados, como zumos, refrescos, salsas (tomate, mahonesa, catsup), conservas, derivados lácteos, productos cárnicos, snacks, caramelos, pastelería y bollería, cereales de desayuno.

Los monosacáridos son azúcares que constan de una única molécula de polihidroxialdehido o de polihidroxicetona que puede tener de 3 a 7 carbonos (siendo las más comunes de 5 ó 6) y que da lugar a un gran número de isómeros ópticos de los que derivan los nombres de estos azúcares.

Aunque pueden ser moléculas lineales, aparecen siempre como en forma de anillos de 5 o 6 carbonos (furanosas y piranosas) ya que forman enlaces internos tipo hemiacetal o hemicetal. Por ejemplo, la glucosa aparece en forma natural en conformación de piranosa.

(El enlace hemiacetal introduce un nuevo centro de simetría, dando origen a dos anómeros, α y β). Los disacáridos son dímeros formados por dos moléculas de monosacáridos, iguales o diferentes, unidas mediante enlace glucosídico. Este enlace puede realizarse de dos formas distintas, como muestra la figura siguiente.

Los disacáridos más abundantes son la sacarosa, la lactosa, la maltosa, la isomaltosa y la celobiosa.

5.2.2. Polisacáridos y oligosacáridos: Son glúcidos más complejos, auténticos polímeros de unidades de azúcares símples unidos formando largas cadenas. En los vegetales el polímero glucídico de interés alimentario es el almidón. También existe un polímero parecido en los tejidos animales, denominado glucógeno, aunque es de mucha menor importancia. También tiene especial relevancia alimentaria la fibra, que es otro polisacárido no digestible por el ser humano, denominado celulosa. El almidón Es la principal reserva de hidratos de carbono que sintetizan las plantas y es también la principal fuente de glucosa para la alimentación de los animales. Está formado por una mezcla de dos polisacáridos, la amilosa (en un 20 %) y la amilopectina (en un 80 %). La amilosa es un polímero lineal de D-glucosa con uniones α -(1-4) glucosídicas, que le permite adoptar una disposición tridimensional de tipo helicoidal. Por su parte, la amilopectina está constituida por restos de D-glucosa unidos por enlace α -(1-4), pero presenta también ramificaciones cada 24-30 unidades de glucosa, mediante enlaces α-(1-6).

En la siguiente figura se muestra la estructura del almidón y de la celulosa.

El glucógeno es el polisacárido de reserva de glucosa en los animales y constituye el equivalente del almidón a las células vegetales. Se halla presente en todas las células aunque preferentemente se acumula en los músculos esqueléticos y especialmente en el hígado (10 % en peso) en cuyas células el glucógeno aparece en forma de grandes gránulos. La celulosa La celulosa, componente estructural primario de las paredes de la células vegetales, es un polímero lineal de glucosa unido por enlaces ß -(1-4) glucosídicos . A diferencia de la amilosa (helicoidal y con uniones α), el enlace ß impide que la molécula se arrolle, de forma que las cadenas de celulosa pueden adoptan una conformación plenamente extendida. Los vertebrados no poseen enzimas capaces de hidrolizar el enlace ß- (1-4), sólo los herbívoros poseen microorganismos simbióticos con una enzima (celulasa) que permite hidrolizar los enlaces ß-(1-4) glucosídicos. Alcoholes y azúcares alcohol: Salvo la glicerina procedente de la hidrólisis de las grasas, todos los demás compuestos de esta familia pueden ser considerados como un accidente (no entran de forma natural en la composición de los alimentos). Todas estas sustancias son moderadamente tóxicas e irritantes al tracto gastrointestinal y solo se incluyen en pequeña cantidad y cuando se busca algún fin concreto. Repasemos algunos ejemplos.

La glicerina es absorbible y asimilable, pero resulta irritante en dosis elevadas. Debido a su elevada viscosidad, propiedades osmóticas y solubilidad en agua es usada en la elaboración de concentrados y jarabes que son consumidos en pequeñas dosis. El etanol es conocido desde tiempos inmemoriales por los efectos fisiológicos que provoca su conocida intoxicación. Es el producto del catabolismo anaerobio de una levadura y su presencia se justifica por la aplicación de un método de estabilización tal y como es la fermentación alcohólica. Además de en las conocidas bebidas, aparece en cantidades moderadas en panes y productos de bollería (hasta 0,5%). El sorbitol es un azúcar-alcohol. Esto es un azúcar en el que el grupo aldehído o cetona ha sido reducido a hidroxilo. Algunos poseen un poder edulcorante varias veces superior al de la sacarosa, sin llegar al de otros edulcorantes como el ciclamato, la sacarina o la fenilalanina, por mencionar algunos. Sus ventajas es que nos es digerido por las bacterias de la cavidad bucal evitando el repunte ácido que se produce minutos después de la ingestión de azúcares simples. También tiene aplicación en productos bajos e calorías (mermeladas) ya que es necesario su uso en una cantidad sustancialmente menor. De hecho la cantidad diaria en la dieta debe mantenerse por debajo de 25 g en adultos, aunque muchas personas se ven afectadas por dosis mucho menores.

5.3. Alimentos fuentes de hidratos de carbono Proceden de fuentes vegetales, de forma prácticamente exclusiva:  Frutas, verduras hortalizas.  Raíces y tubérculos (patata, zanahoria, cebollas,… etc). Es de resaltar la importancia de la remolacha azucarera.  Cereales: Trigo, maíz, arroz, avena ... etc.  Leguminosas La miel es el único producto cuyo origen se podría considerar animal cuya composición es mayoritariamente gucídica.

5.4. Reacciones químicas  La reacción de Maillard, descrita en el tema anterior, tiene lugar entre un grupo aldehído o cetona, proveniente de azúcares reductores, y grupos amino de aminoácidos o proteínas; los compuestos pigmentados insolubles que se producen se denominan melanoidinas, dándose también otros compuestos volátiles y solubles. Los azúcares reductores que pueden favorecer esta reacción en la corteza son las aldohexosas (glucosa) y los disacáridos (maltosa).  La Gelatinización del almidón. importantísima reacción en el procesado de alimentos que ocurre en torno a los 70ºC por acción del calor con importantes consecuencias. La gelatinización es un proceso de hidratación que confiere un estado gelatinoso típico de coloides coagulados (gel). Esta hidratación se consigue mediante tratamiento térmico, a veces acompañado por presión y humedad. El almidon gelatinizado ha perdido su estructura cristalina, está desplegado y es asequible a la digestión. La reacción de gelatinización se representa en la siguiente figura:

El resultado de la gelatinización es un gel de amilosa (la parte lineal) en el que están suspendidas las moléculas de amilopectina. En esta forma el almidón es mucho más digestible y las cadenas de polisacárido son mucho más accesibles al ataque de enzimas o sustancias químicas. El almidon está siempre gelificado en el momento de servir de alimento humano.

 Hidrólisis de oligo y polisacáridos: para dar productos de menor peso molecular hasta azúcares simples. Como medio de producción se llevan a cabo de forma fundamentalmente enzimática, por ser más específicas y dar un producto uniforme. Existen muchos “azúcares líquidos” en el mercado que son productos industriales muy importantes por ser ingredientes en muchos alimentos. Estos azúcares pueden provenir de la hidrólisis enzimática de almidones, como es el caso del licor de maíz.

6. Vitaminas Las vitaminas son compuestos químicos de naturaleza diversa que resultan imprescindibles para la vida y deben ser ingeridos con la alimentación cuando el organismo no puede sintetizarlos. Las vitaminas son nutrientes minoritarios, es decir, se ingieren en cantidades muy inferiores a los principios inmediatos. Las cantidades diarias necesarias son del orden de mg o µg, según la vitamina, esto es cantidades del orden de 10-5 a 10-7 veces las de los macronutrientes.

La necesidad de vitaminas depende del organismo. En el caso del ser humano, las vitaminas y dosis recomendadas se muestran a continuación.

Las deficiencias en el consumo de vitaminas se manifiestan como enfermedades carenciales con síntomas característicos que remiten con la administración de fuentes de la vitamina pertinente. Caso paradigmático lo constituye el escorbuto, que es además un indicador de la necesidad del consumo de alimentos frescos y de que éstos se encuentren adecuadamente conservados.

7. Minerales Los minerales pueden ser considerados micronutrientes, al igual que las vitaminas, aunque algunos de ellos se ingieren en cantidades bastante superiores alas de las vitaminas. A diferencia de éstas los minerales no se consumen en el organismo (aunque si se excretan), y pueden reutilizarse de forma que ante una carencia el organismo puede hacer un uso más económico y mantener un estado de buena salud aún con un aporte reducido de estos nutrientes, o mostrar la deficiencia como síntomas menores.

Es, por tanto difícil, recomendar una ingesta en general, de forma que en la tabla siguiente se muestra una lista de la importancia de cada elemento mineral en la composición del cuerpo humano para un adulto promedio.

Los déficits en la ingestión de minerales aparecen a veces como enfermedades carenciales, o trastornos estructurales (caries, huesos de cristal).

8. Pigmentos, sabor y aroma Son componentes de los alimentos que aparecen en cantidades muy pequeñas pero que desempeñan un papel esencial en las sus características organolépticas. Un estudio exhaustivo requiere detenerse en cada tipo de alimento (frutas, hortalizas, carne...) y aun así no es exhaustivo. De hecho se desconoce la naturaleza de muchos de estos componentes minoritarios. En los apartados que siguen se pretende dar una idea de la naturaleza de estas sustancias y de su importancia.

Pigmentos: Responsables del color de los alimentos, algunos han cobrado cada vez más importancia porque se les atribuyen unas acciones antioxidantes potencialmente beneficiosas, y en general protectoras del organismo. Ateniéndonos a la realidad, los pigmentos son responsables de que la yema del huevo sea amarilla, los pimientos verdes y los tomates rojos. Aunque la misión de los pigmentos pueda parecer superflua, resulta impensable para el consumidor comprar alimentos que defrauden sus expectativas sensoriales y el color es la primera que se percibe. Su preservación es, por tanto, imprescindible. Aunque existen muchas clases de pigmentos, podemos considerar tres grandes grupos Clorofilas: Color verde. Productos de degradación marrones. Frutas y hortalizas Carotenoides: Familia amplia. Color naranja (beta caroteno, zanahorias), rojo (licopeno, tomate, astaxantina) amarillo. Antocianósidos: Morado. Col lombarda, judías pintas Ejemplos de algunas de estas sustancias se ven en la transparencia

Sabor y aroma: Los responsables de las sensaciones primarias del sabor son los componentes mayoritarios de los alimentos (proteínas, grasas y azúcares), la sal contenida o agregada a los alimentos, las sustancias ácidas y algunas sustancias diversas que confieren el sabor amargo. Estos sabores primarios se encuentran matizados por factores físicos como la temperatura y textura del alimento y, sobre todo, por compuestos volátiles percibidos por el olfato por vía retronasal. Estos compuestos confieren una sensación compleja de saborolor (en inglés se denomina “flavor”) que es la que más fácilmente se pierde y que es la que proporciona las características distintivas entre productos análogos e incluso entre diferentes marcas del mismo producto. La naturaleza de estas sustancias es muy diversa: •

Los aromas frutales son en gran parte debidos a esteres orgánicos (piña: caproato de etilo, plátano: acetato de isoamilo).

•

Los de muchas especias son aldehidos de diversa complejidad (canela: aldehido cinámico, pimienta: eugenol, comino, cuminaldehido).

•

Los compuestos azufrados (muchos de ellos tioles) también son un importante agente en al caso de aliáceos, coles y espárragos.

En general, la actividad microbiana sobre alimentos curados y fermentados es una de las principales fuentes de estas sustancias que aparece a causa del metabolismo del microorganismo particular y del alimento sobre el que actúe. Ejemplos son los quesos madurados y, acaso, curados, vinos, jamón serrano, embutidos madurados, etc.

CUESTIONES  ¿Qué entiende vd. por valor biológico de una proteína? ¿Cómo se relaciona el valor biológico con los aminoácidos esenciales? ¿Por qué una mezcla de proteínas puede resultar de un valor biológico superior cualquiera de las proteínas separadas? ¿En que casos no es así?  ¿Es lo mismo decir “lípido” que “grasa”? Cuales son los diferentes tipos de lípidos y grasas que pueden aparecer en un alimento? Clasifíquelos.  Cuales son las principales reacciones de degradación que experimentan los lípidos.  ¿Puede describir la naturaleza de algunos de los compuestos minoritarios responsables del sabor en alimentos característicos como frutas, especias y aliaceos? ¿Qué puede decir respecto de las sustancias que dan color al tomate, salmón o col lombarda?  ¿Cuáles son los macronutientes o principios inmediatos? ¿Qué característica destacaría de cada uno de ellos?  ¿Qué es un aminoácido esencial?  ¿Qué entiende por desnaturalización de una proteína? ¿Qué importancia tiene la cristalización de sustancias como los hidratos de carbono?  ¿Qué es la fibra alimentaria? ¿En que se parece y en que se diferencia del almidón? ¿Es un nutriente?  ¿Qué diferencia a un azúcar simple de un polisacárido y de un oligosacárido?  ¿Qué diferencia destacaría entre la glucosa y la fructosa? ¿Y entre la glucosa y la sacarosa?  ¿Qué entiende por proteína patrón? ¿Cuál es el valor biológico de esta proteína? ¿Es posible un valor biológico superior a 100?  ¿Es el agua un nutriente? ¿Qué entiende por “actividad del agua”?

TEMA 4 PROPIEDADES Y REOLOGÍA DE ALIMENTOS OBJETIVOS:  Presentar las principales propiedades físicas de los alimentos y conocer y saber usar los métodos y recursos para estimarlas.  Definir y comprender las características organolépticas de los alimentos.  Presentar el comportamiento estrés-deformación de los alimentos.  Repasar los modelos reológicos para fluidos e introducir los modelos específicos para alimentos  Comprender la dependencia de las propiedades reológicas con los factores ambientales y de concentración.  Conocer los métodos de determinación de propiedades reológicas aplicables en diferentes situaciones  Estudiar el comportamiento reológico de materiales (alimentarios) cuyas propiedades cambian con el tiempo.

1.

Características organolépticas. Para el consumidor, los atributos más importantes de los alimentos los constituyen sus características organolépticas (textura, bouquet, aroma, forma y color). Son éstas las que determinan las preferencias individuales por determinados productos. Pequeñas diferencias entre las características organolépticas de productos semejantes de marcas distintas son a veces determinantes de su grado de aceptación.

Las características organolépticas son las siguientes 1.1 . Textura Es una sensación subjetiva provocada por el comportamiento mecánico y reológico del alimento durante la masticación y la deglución. En la siguiente tabla se resumen los atributos de textura de los alimentos.

La textura de los alimentos se halla principalmente determinada por el contenido en agua y grasa y por los tipos y proporciones relativas de algunas proteínas y carbohidratos estructurales (celulosa, almidones y diversas pectinas). Los cambios en la textura están producidos por la pérdida de agua o grasa, la formación o rotura de las emulsiones, la hidrólisis de los carbohidratos poliméricos y la coagulación o hidrólisis de las proteínas.

1.2. Sabor, bouquet y aroma Los atributos básicos del sabor son

 dulzor  amargor

 acidez

Estos atributos se hallan esencialmente determinados por la composición del alimento y no suele afectarles el proceso de elaboración. Constituyen una excepción los cambios provocados por la respiración metabólica de los alimentos frescos y los cambios en acidez y dulzor que pueden producirse durante la fermentación. La sensación básica de sabor se encuentra fuertemente matizada por la presencia de innumerables compuestos complejos de naturaleza orgánica. Los alimentos frescos contienen mezclas complejas de componentes volátiles que imparten bouquets y aromas característicos. Durante el proceso de elaboración estos componentes pueden llegara perderse reduciéndose entonces la intensidad del bouquet o destacándose otros componentes de éste y del aroma.

También se producen, por acción del calor, las radiaciones ionizantes, la oxidación, o la actividad de los enzimas sobre las proteínas grasas o carbohidratos, componentes aromáticos volátiles diversos. Algunos ejemplos de este fenómeno son la ya comentada reacción de Maillard, que tiene lugar entre aminoácidos y azúcares reductores, o la que se produce entre los grupos carbonílicos y los productos de la degradación de los lípidos, o la hidrólisis de los lípidos a ácidos grasos y su posterior transformación en aldehídos, ésteres y alcoholes.

El aroma de los alimentos se halla determinado por una compleja combinación de centenares de compuestos, algunos de los cuales actúan de forma sinérgica.

1.3. Color Muchos de los pigmentos naturales de los alimentos se destruyen durante el tratamiento térmico, por transformaciones químicas que tienen lugar como consecuencia de cambios en el pH, o por oxidaciones durante el almacenamiento (ver tabla). Como consecuencia de ello, el alimento elaborado pierde su color característico y por tanto, parte de su valor. Los pigmentos sintéticos son más estables, por lo que a menudo se agregan al alimento antes de la elaboración.

El color es el atributo percibido inicialmente por el consumidor y por tanto fundamental en la elección, por lo que su preservación es objeto de mucho cuidado para que el alimento tenga el color que el consumidor espera, que no es siempre el natural. Por ejemplo, algunas mermeladas como la de fresa o ciruela adquieren un color pardo

durante el tratamiento térmico, que ha de ser modificado por diversas formas. Otro ejemplo es la mioglobina de la carne, que expuesta al oxígeno adquiere el característico color rojo, mientras que en atmósferas pobres en oxígeno se vuelve parda, dando un aspecto mucho menos atractivo. Para impedir los efectos favorecedores de la proliferación de microorganismos de una atmósfera rica en oxígeno, se puede envasar la carne en presencia de una pequeña cantidad de monóxido de carbono (CO) que se une a la mioglobina con más fuerza que el oxígeno dando un color rojo muy vivo.

2.

Propiedades físicas 2.1. Conductividad La conductividad es una propiedad esencial para determinar la cinética de penetración del calor en cuerpos sólidos, además de otros muchos problemas de transmisión del calor. Esta propiedad se encuentra extensamente tabulada en la bibliografía para muchos alimentos. Sin embargo es conveniente a menudo poder obtenerla de la composición del alimento. A continuación se presentan algunas correlaciones: La mayoría de los alimentos tienen un contenido en agua tan elevado que las propiedades del alimento se acercan mucho a las del agua. Las siguientes correlaciones

predicen k de la gran mayoría de alimentos (de todos los listados en la tabla) dentro de un 15% de error.

 Para el agua a 20ºC -2

kH2O = 0,597 W m

-1

ºC

 Para frutas y vegetales con contenido en agua superior al 60% k = 0,148 + 0,00493 xH2O

 Para carnes con contenido en agua entre el 60 al 80% k = 0,08 + 0,0052 xH2O

 Para cualquier alimento k = 0,25 xHC + 0,155 xP + 0,16 xGR +0,135 xCZ + 0,48 xH2O -2

(Todas en W m

-1

ºC )

Donde xHC , xP , xGR , xCZ y xH2O representan las fracciones másicas de hidratos de carbono, proteínas, grasas, cenizas y agua, respectivamente.

La composición de algunos alimentos se expone en la siguiente tabla.

2.2. Capacidad calorífica Necesarios para calcular cambios de entalpía a temperatura constante. De nuevo, pueden obtenerse de manuales de referencia para la mayoría de los alimentos. En el caso de alimentos compuestos, pueden usarse las siguientes correlaciones basadas en su

composición  Para carnes, pescados frutas y verduras con contenido en agua superior al 50% Cp = 1,675 + 0,025 xH2O  Para cualquier alimento de composición conocida Cp = 1,424 xHC + 1,549 xP + 1,675 xGR +0,847 xCZ + 4,187 xH2O -1

-1

(Ambas en kJ kg ºC )

Para determinar las composiciones puede usarse la tabla anterior. A modo de comparación y comprobación de ambas ecuaciones, veamos los siguientes datos experimentales.

2.3. Calores latentes y cambios de fase Durante el procesado de los alimentos ocurren con frecuencia cambios de fase cuyos requerimientos se han de prever en los intercambios energéticos del proceso. El cambio de fase más importante en términos energéticos es el de la congelación y vaporización del agua contenida en los alimentos, pero también tienen importancia cambios de fase en el procesado de grasas como la manteca de cacao en la fabricación del chocolate.

Los datos importantes de un cambio de fase son la temperatura a la que tiene lugar (o intervalo de temperaturas) y el cambio de entalpía.

3.

Reología de alimentos. Modelos reológicos para alimentos. Como vd. Ya sabe, la reología puede definirse como el ámbito de la ciencia que estudia la deformación y el flujo de materiales causadas por la aplicación de un esfuerzo. El comportamiento reológico de los alimentos es muy complejo y a la vez desempleña un papel muy importante en muchos sistemas de proceso.

Las necesidades de conocer la reología en la industria de los alimentos son múltiples. Entre otras se pueden citar:  Diseño de tuberías y selección de bombas  Diseño y análisis de equipos de extrusión  Selección y operación de equipos de mezclado  Diseño y operación de cambiadores de calor  Procesos en los que se realizan recubrimientos  Selección de envases

El modelo reológico, que relaciona el esfuerzo aplicado con la velocidad de corte, es la base teorica para resolver los problemas expuestos.

3.1. Tipos de comportamiento esfuerzo-deformación en los alimentos Es evidente de la experiencia común, que los alimentos reaccionan de forma muy diferente ante la aplicación de un esfuerzo. Unos son sólidos duros y se rompen bruscamente ante un esfuerzo elevado, como el turrón. Otros sólidos se deforman para acabar rompiendose, como la gelatina (en realidad la mayoría de los alimentos sólidos tienen este comportamiento). Otros, sin embargo, fluyen de diversas formas, como la leche, mayonesa, purés o masa del pan, requiriendo o no superar un nivel de esfuerzo inicial frente al que pueden o no deformarse antes de fluir.

Para algunos, como la mantequilla, es incluso difícil discernir si se trata de un sólido o de un fluido. La siguiente figura da una clasificación general de los comportamientos posibles.

Clasificación general de los posibles comportamientos reológicos. A continuación se definen las magnitudes que intervienen en los procesos de deformación o flujo ante el esfuerzo

3.1.1. Sólidos elásticos Los alimentos sólidos son aquellos que no fluyen ante un esfuerzo, sino que se deforman y se acaban rompiendo. Los sólidos rígidos se rompen sin deformarse. Hay diferentes tipos de deformaciones. Veamos la elongación y la deformación. La elongación viene causada por la aplicación de una tensión sobre la superficie que se deforma. La siguiente figura muestra un paralelepípedo sometido a una tensión σ, frecuentemente expresada como fuerza por unidad de sección inicial. El material, de una longitud inicial Lo, se elonga δL.

Puesto que δL depende de Lo, resulta conveniente definirlo de una forma más general. Así, se siendo L = Lo + δL, se puede definir la elongación como Elongación de Cauchy

Elongación de Henchy

La deformación cortante es causada por un esfuerzo aplicado sobre una superficie diferente de la que se deforma. Se representa en la siguiente figura

Esta deformación se cuantifica como

.

Los sólidos también se pueden deformar por compresión. N este caso, la fuerza es perpendicularmente aplicada sobre la superficie. La deformación puede tener lugar en cualquier sentido. La deformación concreta viene dada, en general, por el tensor de elasticidad

En principio, asumiremos que la deformación se produce en una única dirección y podemos usar la misma nomenclatura que en la elongación.

3.1.2. Fluidos Se caracterizan porque sus elementos se desplazan uno respecto a otro ante la aparición de un esfuerzo.

El desplazamiento (concretamente, el perfil de velocidad) para un nivel de esfuerzo aplicado puede variar de muchas formas. El perfil de velocidad puede ser o no proporcional al esfuerzo. Por otra parte el fluido puede resistir un determinado nivel de esfuerzo antes de empezar a fluir. Si durante la aplicación de este esfuerzo inicial se deforma sin llegar a fluir (se recupera al cesar el esfuerzo), entonces es un fluido viscoelástico.

También puede ocurrir que para un esfuerzo constante, el tipo de flujo varíe con el tiempo. Esto es bastante habitual en los alimentos.

La reología de fluidos estudia la relación que existe entre la fuerza motriz que provoca el movimiento (esfuerzo cortante, σ) y la velocidad de flujo que se origina (el gradiente del perfil de velocidades, γ ). Aunque vd está ya familiarizado con estos conceptos, redefinamoslos a modo de recordatorio

Esfuerzo cortante, σ Es la fuerza por unidad de área aplicada paralelamente al desplazamiento (cortante). -2

Tiene unidades de fuerza dividido por superficie, en el SI se mide en N m . Es homogéneo con la unidad de presión, Pa, aunque hay que recordar que a diferencia de ésta, el esfuerzo cortante es una magnitud vectorial. El esfuerzo cortante es una magnitud microscópica ya que cambia en cada punto del perfil de velocidades.

Velocidad de corte, γ El esfuerzo cortante provoca el desplazamiento ordenado de los elementos del fluido, que alcanzan unas velocidades relativas estacionarias que denotaremos V(x). La velocidad de corte se define como el gradiente (velocidad espacial de

cambio) del perfil de velocidades

. -1

La velocidad de corte se mide en tiempo . Aunque a menudo sólo se representa una componente, γ es una magnitud vectorial.

Viscosidad aparente, η Mide la facilidad que tiene una determinada sustancia para fluir ante la aplicación de un esfuerzo cortante en unas determinadas condiciones.

Se define como el ratio entre esfuerzo cortante y velocidad de corte -1

Se mide en kg m

.

-1

s . La unidad clásica es el Poise y la más comúnmente usada

es el centipoise cP. Los fluidos Newtonianos son los de comportamiento más sencillo al presentar una viscosidad aparente constante (a T=cte) e independiente des esfuerzo de corte y de la velocidad de corte.

3.2. Modelos reológicos para alimentos fluidos La descripción precisa del flujo, necesaria para el diseño de sistemas de bombeo, tuberías, etc., requiere una ecuación que exprese la relación entre σ y γ en cualquier punto.

Observando el comportamiento de diversos fluidos (independientes del tiempo) mostrados en la siguiente figura, se ha caracterizado el comportamiento proponiendo diversas ecuaciones que los reproducen.

 Los fluidos Newtonianos muestran una relación lineal entre σ y γ. En este caso

σ

⋅γ , donde µ es la “viscosidad verdadera”

 Los fluidos psudoplasticos y dilatantes muestran una relación no lineal entre σ y γ que en ambos casos se representa por la “ley de la potencia”

σ

K ⋅γ n .

K y n son parámetros del modelo de flujo. K se denomina “índice de consistencia” mientras que n es el “índice de flujo”. Para los fluidos pseudoplásticos se cumple que n1 ocurre para los dilatantes. La ley de la potencia representa al fluido newtoniano cuando n=1.  Los “plásticos de Bingham” requieren la aplicación de un esfuerzo mínimo antes de empezar a fluir, por lo que se representan bien por

σ σo

⋅γ

Donde σ0 es el esfuerzo de corte necesario para iniciar el flujo.

 Finalmente, los plásticos generales o de Herschel-Bulkley representan un comportamiento más general que engloba al de todos los anteriores con la ecuación

σ σo

K ⋅γ

n

A continuación se muestran algunos alimentos con los diferentes tipos de flujo.

Y a continuación se presentan las viscosidades de algunos fluidos para ilustrar el rango en el que se pueden mover.

Ejemplo: Estudie el modelo de flujo apropiado y determine los parámetros para una disolución de carragenato al 1% en agua a 20ºC cuyos datos reológicos son los siguientes

Y ahora, haga lo mismo con este recubrimiento de chocolate fundido a 40ºC

Sin embargo los modelos propuestos no son suficientes. Por ejemplo, el chocolate anterior puede confundirse con un plástico de Bingham pero no lo es. De hecho, las desviaciones de este modelo respecto del comportamiento real del chocolote son especialmente notables a bajas velocidades de flujo, que son las que tiene lugar en el proceso de recubrimiento. Observando el comportamiento de muchos fluidos, se han propuesto otros modelos más generales que reproducen el comportamiento de muchos alimentos concretos. Por ejemplo, el modelo de Casson es el aceptado en la industria para el chocolate. Los siguientes modelos han sido propuestos para fluidos que no se representan bien con el comportamiento del plástico generalizado (que incluye a los newtonianos, ley de la potencia y plásticos de Bingham).

Modelos reológicos para fluidos independientes del tiempo.

3.3. Influencia de la temperatura en el comportamiento reológico El incremento de la temperatura se traduce en un descenso de la resistencia a fluir que se traduce en un descenso de la viscosidad (aparente o verdadera) o en los parámetros del modelo de flujo.

En el caso de fluidos que obedecen a la ley de la potencia, la variación con la temperatura se produce en el índice de consistencia K, quedando n, índice de flujo, inalterado. Las siguientes ecuaciones han sido propuestas para correlacionar viscosidad o índice de consistencia con la temperatura

Observe que la segunda ecuación tiene la forma de una correlación de Arrhenius, que le resultará familiar.

Esto es cierto siempre que no haya alguna reacción de gelatinización, desnaturalización o cualquier formación de enlaces intermoleculares favorecida por la temperatura. Si la hubiere, hay que estudiar el caso concreto

Ejemplo: Vea si puede correlacionar la variación del índice de consistencia del puré de albaricoque cuyos datos se muestran a continuación.

Ejemplo: Pruebe ahora con el siguiente zumo de naranja de 65 Brix y 5,7% de sólidos.

3.4. Fluidos dependientes del tiempo En algunos fluidos, la viscosidad aparente no permanece constante aunque se mantenga constante la velocidad de corte. Este fenómeno es relativamente habitual en los alimentos. La viscosidad aparente puede disminuir o incrementarse como muestra la siguiente gráfica.

Los fluidos cuya viscosidad aparente se incrementa con el tiempo se denominan reopécticos, mientras que los que se hacen más fluidos se denominan tixotrópicos.

Estos fenómenos se explican por la aparición o rotura de nuevos enlaces o interacciones intermoleculares por la acción de la agitación, como en el caso de los almidones, la masa del pan o en la formación de emulsiones como la mayonesa.

La variación de las propiedades reológicas puede ser reversible o no. La tixotropía irreversible, bastante común en sistemas alimentarios, se denomina Reomalaxis o Reodestrucción.

Este comportamiento puede ser modelizado introduciendo en los indices de consistencia una dependencia del tiempo o de la energía específica absorbida por el fluido.

3.5. Medida de los parámetros reológicos Para estudiar el comportamiento reológico de un fluido de forma rigurosa es necesario realizar medidas de viscosidad aparente ( ) en varias condiciones de esfuerzo cortante y velocidad de corte. La siguiente gráfica muestra como dos fluidos muy diferentes podrían ser tomados por el mismo si se realiza una sola medida.

La gráfica anterior muestra que es necesario realizar medidas de viscosidad en todo el intervalo de velocidades de corte en el que se va a trabajar. Las medidas de viscosidad se realizan con aparatos denominados viscosímetros o reómetros. Este último término se reserva para aparatos más complejos que son capaces

de explorar un amplio intervalo de esfuerzos cortantes y velocidades de corte así como de registrar variaciones de los parámetros reológicos con el tiempo. Los reómetros funcionan provocando un flujo del material experimental y midiendo el esfuerzo generado o viceversa. Puesto que el volumen o espesor del material experimental tiene un espesor finito, en el seno del material se produce un perfil de velocidad, y no un único σ que se corresponda con el γ fijado, la relación entre σ y γ no se obtiene de forma inmediata, sino que se requiere el conocimiento previo del modelo de flujo o realizar el tratamiento adecuado tal y como se explica en http://www.egr.msu.edu/~steffe/freebook/STEFFE.pdf. En general, la mayoría de estos aparatos funcionan de forma automatizada y solo requieren saber la selección del programa adecuado para el tipo de fluido y rango que se desea medir. Los diferentes reómetros se muestran en la figura que aparece a continuación, clasificados por el fundamento en el que basan la medida que puede ser el originar un flujo mediante una presión conocida (viscosímetros de flujo) u originando un movimiento circular en el interior de un receptáculo (viscosímetros rotacionales).

Así, los reómetros pueden clasificase en dos tipos fundamentales: rotacionales y de flujo o tubo. Los de flujo o tubo son más sencillos y dan buenos resultados cuando el fluido está libre de partículas en suspensión y el rango de viscosidad a medir es moderado. No sirven para medir fluidos dependientes del tiempo. Pueden ser usados en lineaHay tres tipos. Tipo Canon-Fenske: Un tubo capilar de cristal en el que el fluido cae por gravedad. Sólo sirve para fluidos newtonianos, a un único σ. El rango de aplicación es limitado Capilar a alta presión: Mide el caudal de fluido que se establece al establecer una presión en un extremo. Es rápido, sencillo, y requiere un caudal bajo de fluido Tipo tubería: Como el anterior, pero usando cualquier tubería. Se basa en medir el caudal que provoca una caída de presión a través de una longitud de una tubería cualquiera. Al igual que el anterior, requiere flujo laminar, que en este caso es más difícil de conseguir que en el capilar, y el conocimiento del modelo de flujo.

Los rotacionales son equipos muy versátiles que pueden estudiar el comportamiento reológico en cualquier rango incluso en fluidos con partículas en suspensión. Son de gran precisión. Pueden estudiar incluso viscoelásticos. Se basan en un elemento rotacional que impone una determinada velocidad de rotación para la que se calcula la velocidad de corte correspondiente y el esfuerzo cortante que requiere del elemento motor. No pueden ser usados en linea. Los de cilindros concéntricos y platos tienen un rango de aplicación muy grande. Por su geometría σ y γ pueden ser deducidos muy fácilmente. Son aparatos de precisión, normalmente automatizados y por ello son caros. No son adecuados para medir fluidos con partículas en suspensión. Los de aspas o de agitador son probablemente los más versátiles, pero por su geometría, la relación σ − γ no puede ser deducida directamente, sino que el dispositivo ha de ser previamente calibrado con un fluido de reologiaconocida en el rango a ensayar.

3.6. Modelos reológicos para alimentos sólidos y viscoelásticos. Sólidos

El comportamiento elástico de los alimentos sólidos es tremendamente complejo y cae fuera de los objetivos de este tema. A modo de mera descripción, comentaremos que éste se puede describir en función de la elongación definida de forma pertinente al tipo de deformación (ver apartado anterior).

Los alimentos con comportamiento estrictamente sólido no fluyen bajo el esfuerzo, sólo se deforman hasta romperse o ceder de forma irreversible. La deformación puede ser o no proporcional al esfuerzo aplicado, tal y como se expone en la figura siguiente.

Materiales viscoelásticos

Son los de comportamiento más complejo, ya que se encuentran entre sólidos elásticos y fluidos con cualquier comportamiento reológico. El material viscoelástico se comporta de la siguiente forma:  Ante la aplicación de un esfuerzo, un material viscoelástico responde deformándose instantáneamente con algún comportamiento elástico, la tensión aplicada produce una deformación.  A partir del instante cero, el material fluye de acuerdo a un modelo reológico de forma que la tensión se relaja al aproximarse el material a una nueva posición de equilibrio.  A tiempo infinito, la tensión puede haberse relajado totalmente, si el material fluye de acuerdo al modelo newtoniano o de la potencia, o conservar un valor si el flujo es de plástico general o de Bingham.  Si el esfuerzo cesa en cualquier momento antes de la relajación, el material se retrotrae recuperando algo de su forma inicial.

Este comportamiento se puede apreciar en la gráfica siguiente

Todo fluido es algo viscoelástico. Sin embargo la viscoelasticidad sólo se hace notar cuando el tiempo de relajación es apreciable. En la siguiente tabla se muestran los tiempos de relajación de algunos materiales.

El tratamiento de los materiales viscoelásticos es muy complejo y debe ser abordado para cada caso concreto que se esté tratando integrando el comportamiento elástico y viscoso (flujo) en el modelo. Se han propuesto algunos modelos para estos materiales, que se describen someramente en las gráficas siguientes.

Las analogías de Maxwell y Kelvin describen el comportamiento viscoelástico como un elemento viscoso y otro elástico dispuestos en serie o en paralelo.

Los comportamientos viscoelásticos pueden ser descritos como una combinación de los elementos anteriores, como muestra el siguiente ejemplo.

Alimentos como el queso fundido, purés vegetales (patata y guisante) y prácticamente todas las masas para la fabricación de galletas, dulces, bollería y todo tipo de productos horneados o fritos son viscoelásticos. Especialmente viscoelásticos son las masas de trigo, como las del pan y los churros.

Modelar el comportamiento viscoelástico es una cuestión de primera magnitud en el diseño de sistemas de extrusión y laminado de masas ya que la retrogradación típica de los materiales viscoelásticos provoca que los productos sean más cortos y gruesos que

los proyectados, alterando profundamente los parámetros de horneado o fritura subsiguientes.

4.

Otros aspectos de la estructura física de los alimentos: formación y estabilización de dispersiones Muchos alimentos aparecen en forma de dispersión de una fase en otra o bien pueden formar/romper una dispersión durante el procesado, lo que a menudo cambia profundamente sus propiedades reológicas.

Una dispersión es una mezcla de fases inmiscibles, en la que una de las fases se encuentra finamente dividida (la fase dispersa) y contenida en el seno de la otra fase (fase continua). Es una situación muy común en alimentos y podemos pensar dispersiones como mantequilla, mayonesa, leche, helados, merengues y mousses. Por supuesto que la inmiscibilidad de las fases y, por tanto, su diferencia en propiedades físicas, hace que las dispersiones sean intrínsecamente inestables, ya que la fase dispersa tenderá, por afinidad, a coagularse provocando la aparición de dos fases. En este punto es donde entra la presencia de estabilizadores de las dispersiones: sustancias con una composición molecular afín a ambas fases en distintas zonas de la molécula. Estos estabilizantes se reparten por todas las interfases rebajando las interacciones hidrofóbicas (en general entre fases de naturaleza distinta) y manteniendo separadas las partículas dispersas. Algunos alimentos son de forma natural dispersiones y contienen estabilizantes de forma natural. Veamos los diferentes tipos de dispersiones y ejemplos de algunos alimentos:

4.1. Dispersiones coloidales Son dispersiones de partículas sólidas en el seno de un fluido o un sólido. Las dispersiones coloidales son estables al menos en el corto plazo por el pequeño tamaño de sus partículas, lo que causa que el tiempo de separación (decantación o flotación) sea largo.

Factores que afectan a la estabilidad de las dispersiones coloidales son la diferencia de densidades entre ambas fases, la viscosidad de la fase continua y su tensión superficial. Las dispersiones coloidales se estabilizan también con aditivos que den una carga a la superficie de las partículas de forma que se repelan entre ellas. Todos los alimentos con el “agítese antes de usar” tienen muchas probabilidades de pertenecer a este grupo, como batidos de cacao, zumos etc (si bien las partículas pueden

no ser coloidales).

4.2. Geles/soles Los geles y soles son básicamente disoluciones de grandes moléculas de polímero orgánico como almidón, colágeno o albúmina de huevo. En estado de disolución (estado sol), las grandes moléculas de polímero modifican mucho la viscosidad de la fase continua (generalmente agua) dando a menudo una consistencia pastosa con un comportamiento reológico de plástico de Bingham. En ciertas condiciones (calor, reacciones químicas, desnaturalización) el polímero forma una red tridimensional que deja encerrado o retenido al fluido que constituye la fase continua. El fluido es retenido en la red tridimensional de polímero no por oclusión, sino por los numerosos grupos hidrofílicos que éste contiene, que ligan al agua reteniendola y al resto de los componentes de la fase continua junto con ésta.. Si la interacción de la red es demasiado intensa, el agua llega a ser expulsada apareciendo fuera del cuerpo del gel. Este fenómeno se denomina sineresis y es el principal defecto de los geles comerciales (yogures, natillas, flanes, etc). Puede evitarse con la adición de gomas y humectantes y elevando la concentración del polímero.

Un gel no puede fluir sin que se destruya su estructura tridimensional al menos parcialmente.

No obstante, el gel puede formarse directamente, sin pasar por el estado de sol, como en el caso de la cuajada, en la fabricación del queso.

La transición sol/gel y viceversa es una de las principales causas de la variación de viscosidad con el tiempo (fluido tixotrópico/reopéctico) o con el esfuerzo cortante (fluido pseudoplástico o dilatante). Un caso paradigmático es la fabricación de la masa del pan.

4.3. Emulsiones Son dispersiones de una fase líquida en otra también líquida e inmiscible con la primera. Ejemplos son la leche, que es una emulsión de grasa en agua estabilizada con una proteína (caseina), la mantequilla, una emulsión de partículas de agua en grasa estabilizada por proteína y por la elevada viscosidad de la grasa (se rompe por calor en

la clarificación de la mantequilla, al bajar la viscosidad de la grasa y desnturalizar la proteína estabilizadora), o la mayonesa, que es una emulsión de aceite en agua que alcanza una elevada densidad gracias a la poderosa acción estabilizadora de las proteínas fosforadas de la yema de huevo.

Las emulsiones son las mas inestables de las dispersiones (junto con las espumas) debido a la elevada tensión superficial entre aceite y agua, y solo se dan en presencia de un estabilizador eficiente que aparece de forma natural en casos con los descritos o se pueden agregar, siendo compuestos particularmente eficientes los mono y diglicéridos, polisorbatos, algunas proteínas, fosfolípidos y esteres de sacarosa o de otros azúcares.

4.4. Espumas Son un grupo muy popular de alimentos que, a diferencia de los otros casos, se originan en operaciones de procesado específicamente designadas para formar estos productos. Son dispersiones de gas (aire) en líquido (agua). Son por tanto inherentemente inestables por la diferencia de densidad y tensión superficial de las fases y solo son posibles en presencia de estabilizadores eficientes y en proporción abundante, como en el caso de los merengues, mousses, soufflés, nata montada, masas de bizcocho (no en los panes, en los que el gas se genera durante la cocción) y helados.

Se puede estabilizar la espuma rebajando la tensión superficial del líquido, aumentando su viscosidad y, en muchos casos, coagulando el estabilizante por desnaturalización térmica o eliminación (cocción de merengues, souffles y bizcochos).

TEMA 5 OPERACIONES PRELIMINARES OBJETIVOS:

 Presentar las operaciones que pueden tener lugar antes de las operaciones de estabilización.  Conocer las operaciones de lavado más habituales en la industria alimentaria.  Conocer las técnicas de pelado y su aplicabilidad a los diferentes productos  Conocer las técnicas de manejo de materiales en planta.  Ser capaz de estimas el impacto de las anteriores técnicas en los parámetros de calidad de los alimentos.

1. Introducción La mayor parte de los alimentos pueden contener, en el momento de su recolección o sacrificio, diversos contaminantes o componentes no comestibles. Sus características físicas además, pueden ser muy diversas (por ejemplo: tamaño, forma o color distintos). Por ello resulta imprescindible someter al alimento a una o más operaciones de lavado, limpieza, clasificación o pelado, que los prepare para las operaciones subsiguientes de elaboración, que permitan obtener un alimento de calidad elevada y uniforme.

Existen diversos procedimientos mecánicos de separación a los que los alimentos se someten en las primeras fases del proceso de elaboración, con objeto de mejorar la calidad de la materia prima. Estos procedimientos, si se tiene en cuenta su bajo coste, son de una gran efectividad.

2. Lavado El lavado es aquella operación unitaria en la que el alimento se libera de sustancias diversas que lo contaminan, dejando su superficie en condiciones adecuadas para su elaboración posterior. En la siguiente tabla se incluye una clasificación de los diversos tipos de contaminantes eventualmente presentes en los alimentos antes de su elaboración.

El pelado de la fruta y verdura, el deshollado de las canales, o el desescamado del pescado pueden considerarse también operaciones de limpieza. En el procesado de diversos productos vegetales, el escaldado contribuye también a la limpieza del producto.

Las operaciones de limpieza deben realizarse a la menor oportunidad antes del proceso de elaboración, con objeto de evitar averías en las instalaciones, por piedras, huesos u objetos metálicos y de ahorrar el tiempo y dinero que consumiría el procesado de los componentes desechables. Además, la eliminación de estas pequeñas cantidades de alimentos contaminados con microorganismos

evita

pérdidas

posteriores

producidas

por

la

proliferación

de

los

microorganismos durante el almacenamiento o espera antes de su elaboración. El lavado es, por tanto, un método muy eficaz para reducir pérdidas. Mejora además la rentabilidad del proceso y supone una protección adicional para la salud del consumidor. Los métodos de lavado se clasifican en:

 Métodos húmedos (por ejemplo: remojo, ducha, lavado por flotación, lavado por ultrasonidos) y

 Métodos secos (separación por aire, por magnetismo o por otros métodos físicos). La elección de uno u otro sistema de lavado viene determinada por la naturaleza del producto y por los tipos de contaminantes que contiene. La eliminación de la mayor parte de los contaminantes presentes en los alimentos suele requerir la utilización de más de un sistema de lavado.

2.1. Lavado húmedo Para la eliminación de la tierra de algunos productos vegetales como remolachas, zanahorias y otras raíces, y del polvo y res iduos de pesticidas de verduras y frutos blandos, la limpieza húmeda resulta más eficaz que la seca. Además, no origina polvo, y deteriora menos los alimentos. Esta operación resulta más flexible si se combina con la utilización de detergentes y sustancias esterilizantes a diversas temperaturas. Sin embargo, es preciso realizarla adecuadamente ya que, si no se controlan cuidadosamente los tiempos de lavado y de espera antes del procesado, la utilización de agua tibia puede acelerar los fenómenos la alteración química y microbiológica.

Por otra parte, los sistemas de limpieza húmeda originan grandes volúmenes de efluentes que generalmente llevan en suspensión una elevada concentración de sólidos. La utilización de este sistema de lavado con frecuencia añade un gasto de elaboración adicional, por compra de agua limpia y por el pago por la eliminación de grandes volúmenes de efluentes. Por ello, con objeto de reducir costes, siempre que es posible, el agua utilizada se reaprovecha, previo un proceso de filtración y cloración.

Entre las instalac iones de lavado húmedo utilizadas en la actualidad se encuentran las de  lavado por ducha  lavadores de cepillo  lavadores de tambor  lavadores de dedos  depósitos de flotación.

2.2. Limpieza en seco La limpieza en seco se emplea para productos de pequeño tamaño, de mayor consistencia mecánica y menor contenido en agua (cereales, nueces, avellanas, etc.). Tras su limpieza, la superficie de estos alimentos está seca, lo que mejora su conservación hasta su deshidratación. Los sistemas de limpieza en seco requieren generalmente instalaciones más baratas que los sistemas húmedos y originan un efluente concentrado y seco cuya eliminación resulta más barata. Además la limpieza de los vegetales por este sistema es más sencilla y el riesgo de alteraciones químicas y microbiológicas, menor. Sin embargo, en ocasiones la naturaleza del proceso exige una inversión adicional para evitar la formación de polvo que, no sólo supone un riesgo potencial para la salud y puede provocar explosiones, sino que además puede dar lugar a recontaminaciones. Los principales tipos de instalaciones utilizadas para la limpieza en seco son:  los clasificadores de aire  los separadores magnéticos  los separadores de criba

Los clasificadores funcionan a base de un chorro de aire que elimina de los alimentos las sustancias contaminantes por diferencia de densidad. Su principio de funcionamiento es muy semejante al de los ciclones, cuya utilización se halla tan extendida, tanto para eliminar los sólidos contaminantes del aire, como para separar el líquido del vapor. Los clasificadores se utilizan ampliamente en las cosechadoras para separar del grano o las verduras, los contaminantes más pesados (por ejemplo: piedras) de los más ligeros (por ejemplo: hojas, tallos y cutículas).

La separación física de los contaminantes de los alimentos es posible cuando el alimento posee una forma regular bien definida. Así, por ejemplo, los alimentos de forma esférica (guisantes, grosella negra, semilla de colza) se liberan de sus contaminantes haciendo uso de su capacidad para caer rodando por una cinta transportadora inclinada. Los

contaminantes (por ejemplo, las malas semillas de colza y los caracoles de las grosellas negras) resultan eliminados al ser arrastrados hacia arriba por la cinta sinfín.

Un separador de disco consiste en una serie de discos metálicos verticales con unas cavidades perfectamente talladas en su superficie. Este tipo de separador se emplea para separar el grano de las malas semillas. Estas cavidades imitan la forma del grano, por lo que al rodar éste resulta arrastrado separándolo así del resto de los contaminantes. Existen discos para la limpieza de la cebada, el centeno, el arroz o el trigo (Brennan y col., 1976). También se utilizan para la eliminación de diversos contaminantes de distintos alimentos limpiadores a base de cribas y cedazos.

Los tornillos y diversas piezas mecánicas procedentes de la maquinaria constituyen también un riesgo potencial de contaminación de los alimentos, por lo que, en ocasiones, antes del envasado, éstos se hacen pasar bajo detectores de metales. Los metales ferrosos se eliminan, bien mediante imanes permanentes, o mediante electroimanes. Los electroimanes son de más fácil limpieza (desconectando la corriente), pero los permanentes son más baratos. Sin embargo, los imanes permanentes, si no se inspeccionan periódicamente pueden acumular una cantidad considerable de contaminantes metálicos que puede eventualmente desprenderse provocando graves problemas de recontaminación. Los metales no ferrosos, los ferrosos y la grasa impregnada de residuos metálicos, se detectan al someter el alimento, que circula por la cadena, a un fuerte campo electromagnético. La distorsión de este campo por la presencia de estos metales provoca la activación de una luz o sirena de aviso.

3. Clasificación La clasificación consiste en la agrupación de los alimentos en lotes basándose en alguna propiedad física mensurable. Al igual que la limpieza, la clasificación debe aplicarse cuanto antes en el proceso de elaboración para asegurar un producto de calidad uniforme. Las cuatro principales propiedades físicas en las que se basa la clasificación son: el tamaño, la forma, el peso y el color. La eficacia de un sistema de clasificación se calcula utilizando la siguiente fórmula:

En la que P (kg s-1) representa la velocidad de flujo del producto, F (kg s-1) la velocidad de flujo de alimentación, R (kg s-1) la velocidad de flujo del alimento rechazado, X la fracción másica del material deseado en el producto, X la fracción másica del material deseado en la alimentación y X la fracción másica del material deseado en el alimento rechazado.

3.1. Clasificación por forma y tamaño La forma de alimentos es importante ya que ella determina su eventual adecuación para un determinado proceso de elaboración o incluso su precio de venta. Así, por ejemplo, para que el pelado de las patatas resulte económico éstas deben ser de forma esférica u oval uniforme (sin protuberancias). Los pepinos se envasan con mayor facilidad si son más rectos y el valor de algunos alimentos de forma característica (por ejemplo: las peras) es más elevado si su forma es simétrica. La clasificación por tamaños (sieving o screning) consiste en la separación de los alimentos sólidos en dos o más fracciones de tamaño distinto. Esta operación resulta importante si el alimento va a ser calentado o enfriado ya que, como la velocidad de transferencia calórica se halla en parte determinada por el tamaño de cada unidad individual, cualquier variación en éste puede hacer que el tratamiento resulte inadecuado por defecto o por exceso. Además, se considera que el consumidor prefiere, por lo general, los alimentos de tamaño uniforme. La clasificación por forma se realiza manual o mecánicamente (por ejemplo mediante un clasificador de banda y rodillo (Figura 2.2) o de disco, o bien por procesado de imágenes. Para la clasificación por tamaños se utilizan cribas de abertura de tamaño fijo o variable, bien sea estacionarias, o, con mayor frecuencia, rotatorias o vibratorias.

3.1.1. Cribas de abertura fija Las cribas de abertura fija más corrientes son la plana (o criba) y la de tambor (criba rotatoria). La criba plana múltiple (Fig. 2.3) está constituida por una serie de cribas inclinadas u horizontales con un tamaño de abertura que oscila de 20 µm a 125 mm fijas en el interior de una estructura vibratoria.

Las partículas de alimento más pequeñas que el tamaño de las aberturas, caen a través de ellas hasta que llegan a una criba de tamaño de abertura menor. Las partículas más pequeñas separadas en instalaciones industriales son del orden de 50 µm. Su velocidad de separación se controla por:  la forma y distribución por tamaños  la naturaleza del material de la criba  la amplitud y frecuencia de la oscilación  la eficacia del procedimiento utilizado para evitar la obstrucción de la criba.

La capacidad de una criba es la cantidad de alimento que la atraviesa en un segundo por metro cuadrado de superficie. Las cribas son ampliamente utilizadas para la clasificación de alimentos secos (por ejemplo, harina, azúcar y especias). Los principales problemas de este tipo de separación son:  el cegado, en especial si el tamaño de las partículas es muy parecido al de abertura de la criba,  la sobrecarga, que se produce cuando las cribas se someten a un flujo de alimento excesivo, provocando que las partículas pequeñas se descarguen con las de mayor tamaño,  el bloqueo de las aberturas con partículas más grandes, y  la adherencia de las partículas a la superficie de la criba o la aglomeración de éstas en partículas más grandes cuando la humedad relativa ambiental es elevada. Este problema provoca la eliminación de las más pequeñas en forma de aglomerados.

La vibración por sí misma no suele resultar suficiente para asegurarla adecuada separación de las partículas. Es preciso que la criba describa también un movimiento rotatorio que distribuya el alimento por toda la superficie de cribado y uno vertical que rompa los aglomerados y libere las partículas que bloquean algunas de las aberturas.

La distribución del tamaño de las partículas de un determinado producto se expresa, bien como la fracción másica del material que resulta retenida por la criba o bien el porcentaje acumulativo del material retenido. En la Figura 2.4 se representan gráficamente los datos del problema 2.1. El diámetro medio global de las partículas (diámetro medio) se calcula de la siguiente forma:

En la que dv (µm) representa el volumen o diámetro medio de la masa d (µm) el diámetro medio y x (g) la masa retenida por la criba.

Muchos de los tipos de cribas de tambor utilizados para la clasificación de alimentos de pequeño tamaño (por ejemplo: guisantes o judías) resisten perfectamente el esfuerzo mecánico de estos alimentos al rodar por su interior.

Las cribas de tambor están constituidas por unos cilindros de malla o lámina metálicas perforadas que ruedan en posición casi horizontal (5-10 de inclinación). Los hay de tambores concéntricos (unos dentro de otros), paralelos (los alimentos pasan de una criba a otra o instalados en serie (tambor único construido a base de distintas secciones con diferente tamaño de abertura).

Todos estos tipos de cribas son de mayor capacidad de cribado que las cribas planas. Su capacidad de cribado aumenta, dentro de ciertos márgenes, a medida que aumenta su velocidad de rotación hasta que se alcanza un punto crítico. Por encima de éste, el alimento, en lugar de atravesar la criba, resulta retenido contra ésta por la fuerza centrífuga, lo que dificulta su separación. De forma semejante la capacidad de cribado aumenta también al aumentar la inclinación hasta alcanzar un ángulo crítico, por encima del cual, el tiempo de permanencia de las partículas se acorta excesivamente y los productos atraviesan la criba sin que la separación se produzca. En este tipo de cribas los problemas de cegado son menos graves que en las cribas planas.

3.1.2. Cribas de abertura variable Las aberturas de las cribas de abertura variable son de forma divergente, continua o a saltos. Ambos tipos tratan a los alimentos con mayor cuidado que las cribas de tambor y es por ello que son éstas las cribas más corrientemente empleadas para la clasificación de fruta y otros alimentos delicados. Las cribas de abertura variable funcionan a base depares de rodillos divergentes, cables o cintas sinfín de superficie afelpada en las que, variando la

velocidad de funcionamiento puede ajustarse la velocidad de rotación el alimento para que éste atraviese la abertura de la criba, orientándose hacia la misma por su dimensión menor (Fig. 2.6).

El tamaño de la abertura puede aumentarse de forma discontinua ajustando el espacio existente entre los rodillos tractores y la cinta sinfín inclinada (Fig. 2.2). El alimento inicia la rotación y es la dimensión sobre la que rueda la que se utiliza como base para su clasificación (por ejemplo: el diámetro longitudinal). Brennan y col. (1976) dan detalles sobre algunas instalaciones de clasificación.

3.1.3. Procesado de imágenes En el procesado de imágenes, la clas ificación de los alimentos se realiza basándose en su longitud, su diámetro, el número de defectos de su superficie, su orientación sobre la cinta sinfín o su color. Este sistema de clasificación se ha utilizado, por ejemplo, para la clasificación de mazorcas de maíz. Las imágenes de la superficie de las mazorcas que discurren por una cinta sinfín bajo tres cámaras de vídeo instaladas a 120°, son registradas y almacenadas en la memoria de un microprocesador. Esta información es inmediatamente analizada y comparada con las especificaciones del producto previamente guardadas en memoria. Como resultado de esta comparación las mazorcas que no se ajustan a las especificaciones son rechazadas y con las que sí se ajustan se forman grupos de características semejantes. En otros sistemas, su operador compara la imagen del alimento captada por una cámara de vídeo con una plantilla electrónica colocada sobre la pantalla de un monitor. La utilización de esta plantilla reduce la fatiga del operador y permite que éste pueda concentrarse en el proceso de selección.

3.2. Clasificación por color Los alimentos particulados de pequeño tamaño pueden clasificarse automáticamente a gran velocidad utilizando unos sistemas de clasificación por color controlados mediante un microprocesador. Las partículas entran individualmente en una rampa. El ángulo, forma, y material de la superficie de la rampa son de tal índole que hacen que las partículas en cuestión pasen a velocidad adecuada bajo su fotodetector. El color del fondo e intensidad de iluminación se ajustan adecuadamente para cada tipo de producto. El fotodetector mide la luz reflejada de cada partícula individualmente y la compara con un standard preestablecido. Las partículas que no se ajustan al mismo son rechazadas por un chorro de aire comprimido. Este sistema de clasificación es muy utilizado para cacahuetes, algunos tipos de judías (Michegan Navy) arroz, zanahorias en rodajas, maíz “viernes” y frutas de pequeño tamaño. Los granos de café pasan posteriormente bajo una luz ultravioleta que permite detectar por fluorescencia el grado de contaminación bacteriana (Anón. 1982). En otros sistemas se utilizan haces de rayos láser (Gangi y col. 1983) que iluminan los tomates a medida que son descargados de la cinta sinfín. La luz reflejada es medida por un microprocesador que activa también un sistema automático de rechazo.

En otro punto de sistema de detección el sensor, que se encuentra situado sobre la cinta sinfín, inspecciona los productos que circulan sobre la misma. Este dispositivo, que es capaz de distinguir ocho colores distintos, está provisto de un sistema de alarma o señal de control que se activa cuando el color preseleccionado interrumpe el rayo del detector. Estos dispositivos son también capaces de distinguir entre alimentos de distintos colores que van a elaborarse separadamente. En otras instalaciones más sofisticadas, los alimentos de diferente tonalidad superficial son clasificados mediante un sistema de procesado de imagen. En ellos los alimentos son conducidos individualmente en hilera sobre una cinta sinfín de rodillos que circula bajo una cámara de vídeo. La intensidad relativa de la tonalidad roja, verde o amarilla captada por la cámara, es transmitida a un microordenador que compone con ellas una imagen (en la que se muestra la dispersión del color y la intensidad media) comparando seguidamente esta imagen con una imagen de referencia y activando, cuando es preciso, un chorro de aire comprimido un detector mecánico o cualquier otro dispositivo, que rechaza el alimento cuya imagen no se ajusta a la especificada. Los dispositivos de este tipo instalados en la maquinaria de panadería sirven también para controlar directamente el suministro de gas o electricidad. Se asegura que estos sistemas permiten ahorrar hasta un 20 % del consumo energético de los hornos (Philpotts, 1983). Cambiado el tipo de control del microprocesador (color, forma, etc.) estos sistemas pueden utilizarse para la clasificación de alimentos diversos.

3.3. Clasificación por peso La clasificación por peso es más exacta que por otros métodos y es por ello que se emplea para la clasificación de aquellos alimentos de mayor valor (por ejemplo, huevos, carne en porciones y frutas tropicales). Por este método los huevos pueden clasificarse a cadencia de 12.000 unidades por hora en seis o nueve categorías distintas con una tolerancia de 0’5 g. Antes de su clasificación los huevos se inspeccionan visualmente bajo una lámpara de tungsteno (candling) con objeto de eliminar los huevos fértiles y huevos con malformaciones. El clasificador de huevos consiste en una cinta transportadora de listones que transporta los huevos sobre una serie de palancas equilibradas. Esta cinta es de funcionamiento intermitente. Mientras está parada, las palancas se elevan para pesar los huevos. Los huevos de mayor peso son desviados hacia una rampa almohadillada y los más ligeros se colocan de nuevo sobre la cinta transportadora que los pasa a la siguiente palanca de pesado.

La clasificación de los alimentos por aspiración y flotación se basa en diferencias de densidad y su principio de funcionamiento es el mismo que el de los sistemas de limpieza por aspiración y flotación. Los granos, las nueces (nueces, avellanas y frutos semejantes) y las legumbres, se clasifican por aspiración. Los guisantes y las judías de lima por flotación en

salmuera (densidad

1.1162-1.1362).

Aquellas

unidades

demasiado

maduras,

almidonosas, se hunden, mientras que las más verdes flotan.

La clasificación de alimentos de peso variable (por ejemplo: los filetes de pescado congelado) que se envasan en paquetes y que teóricamente deben ser de peso uniforme, es laboriosa y requiere bastante tiempo. Esta labor la realizarán manualmente operarios que escogen las piezas de un recipiente común y componen con ellas un paquete cuyo peso debe aproximarse lo más posible al peso teórico. Con objeto de asegurarse de que el peso se ajusta a la reglamentación vigente el peso de los paquetes suele ajustarse ligeramente por exceso. Existe un sistema moderno en el que la composición de los paquetes se efectúa automáticamente por microordenador. Las unidades que componen el paquete son pesadas individualmente y colocadas en un peine. Los pesos son almacenados por un microordenador que elige la mejor combinación posible para componer un paquete de un peso determinado ajustándose lo más posible (por exceso) al peso teórico. Las piezas seleccionadas son embaladas y el microordenador componen la siguiente combinación y así sucesivamente hasta que se agotan las piezas del peine.

3.4. Clasificación por calidad El término «grading» y el término «sorting» suelen utilizarse indistintamente, pero «grading» significa la valoración de una serie de atributos que indican la calidad de un alimento, mientras que «sorting» (que es una clasificación basada en una única característica), describe tan sólo una parte del proceso de clasificación. La clasificación por calidad la realizan operarios debidamente cualificados. Así, las carnes, son inspeccionadas por expertos para detectar la posible presencia de carnes enfermas, valorar la distribución de la grasa, y clasificar las canales según forma y tamaño. Otros alimentos que se clasifican por calidad son, por ejemplo, el queso y el té. En otros casos los alimentos se clasifican por su calidad según el resultado de diversas pruebas analíticas (por ejemplo: la calidad de la harina de trigo se determina por su contenido proteico, la extensibilidad de la masa, el color, el contenido en humedad y el grado de infestación por insectos). Por lo general, la clas ificación de los alimentos por su calidad resulta más cara que la clasificación por otros atributos, dado que el personal que la realiza es personal especializado. Sin embargo, por este procedimiento pueden valorarse simultáneamente muchos atributos que no pueden valorarse de forma automática y ello permite la obtención de un producto más uniforme, de gran calidad.

4. PELADO El pelado es una operación imprescindible en la elaboración de muchas frutas y verduras en la que para mejorar el aspecto del producto final se requiere la eliminación del material no comestible. El coste de esta operación se procura reducir al mínimo eliminando la menor parte posible del producto y reduciendo al máximo los gastos energéticos, de material y de mano de obra. Durante el pelado el producto no debe sufrir daños y después de éste, la superficie del mismo debe quedar limpia. Existen cinco métodos de pelado: (1) Pelado al vapor (2) Pelado a cuchillo (3) Pelado por abrasión (4) Pelado cáustico (5) Pelado a la llama

4.1. Pelado al vapor Los alimentos (por ejemplo: diversas raíces como, remolacha, zanahoria, etc.) se introducen en lotes en un recipiente a presión que rueda a 4-6 revoluciones por minuto, al que se halla conectado un flujo de vapor a alta presión (1.500 kPa). La rotación del recipiente asegura que el alimento en cuestión contacte con el vapor por todas sus caras durante un tiempo preestablecido que depende del tipo de alimento. La elevada temperatura del vapor calienta rápidamente la superficie del producto (15-30 segundos) pero su baja conductividad térmica impide que este penetre hacia el interior por lo que éste no se cuece y por tanto, su color y textura no sufren ninguna modificación. Al producirse una súbita caída de la presión se libera vapor bajo la piel y la superficie del alimento se despega. La mayor parte del material salta al liberarse el vapor y la ducha de agua sólo se precisa para liberar los restos de piel que permanecen adheridos. Este tipo de peladoras están alcanzando una gran difusión no sólo por su capacidad de producción (hasta 4.500 kg/hora), sino por su bajo cons umo en agua, porque las pérdidas de peso que provocan en el producto son muy escasas y por el buen aspecto de los alimentos pelados por este método. Además el ciclo de pelado puede controlarse automáticamente y los efluentes que se genera son de mayor conc entración, lo que hace más fácil su eliminación (Anón., 1984).

4.2. Pelado a cuchillo En este sistema de pelado la piel de la fruta y verdura se retira al presionar estas en rotación contra unas cuchillas fijas. En otros casos son unas cuchillas rotatorias las que retiran la piel del alimento, que permanece estacionario. Este sistema resulta particularmente adecuado para los frutos cítricos cuya piel se retira con facilidad sin apenas deterioro o pérdida de peso.

4.3. Pelado por abrasión En este sistema el alimento entra en contacto con unos rodillos de carborundo o se coloca en unos recipientes recubiertos con este material (material abrasivo a base de silicio y carbono). Esta superficie abrasiva arranca la piel que es seguidamente arrastrada por una corriente abundante de agua. Las ventajas de este método son su bajo coste energético (dado que esta operación se realiza a temperatura ambiente), los escasos gastos de inversión que requiere y el buen aspecto de los alimentos pelados por este método. Algunos productos de forma irregular (por ejemplo, patatas con cavidades) requieren un acabado a mano. Las limitaciones de este sistema son:  las pérdidas que provocan son mayores que las del pelado a vapor (25% contra un 8-18% para las verduras),  la producción de grandes cantidades de efluentes diluidos cuya eliminación resulta cara y dificil, y  la escasa capacidad de este sistema ya que los alimentos deben contactar individualmente con la superficie abrasiva. Una excepción a estas objeciones la constituyen las cebollas cuya piel se elimina con facilidad en rodillos abrasivos con una producción de hasta 2.500 kg/h.

4.4. Pelado cáustico Este sistema utiliza una solución diluida de hidróxido sódico a 100-120°C. Por el procedimiento antiguo de pelado cáustico los alimentos pasan por un baño de sosa al 1-2% para reblandecer la piel y ésta es posteriormente eliminada por una ducha de agua a alta presión. Si bien este sistema era, en otro tiempo, de uso corriente para el pelado de productos como remolachas, zanahorias, etc. provocaba en algunos de ellos cambios de color y además resultaba caro, por lo que en la actualidad ha sido sustituido por el pelado a vapor. Una variante de este sistema de pelado cáustico es el sistema de pelado cáustico en seco, en el que el alimento se sumerge en una solución del 10% de hidróxido sódico que reblandece la piel siendo ésta posteriormente eliminada en unos discos o rodillos de goma. Esta variante reduce tanto el consumo de agua, como las pérdidas de producto y genera un efluente de consistencia pastosa que se elimina con mayor facilidad.

4.5. Pelado a la llama Se utiliza principalmente para las cebollas. Consiste en una cinta sinfín que transporta el producto en rotación a través de un horno a una temperatura superior a 1.000°C. A su paso por el horno, la última capa de la cebolla y las raíces más finas se queman y la piel chamuscada es eliminada mediante una ducha de agua a alta presión. Las pérdidas medias por este sistema son del 9%.

5. SISTEMAS DE TRANSPORTE DE MATERIALES Las cintas transportadoras son muy empleadas en todas las industrias alimentarias, tanto para el transporte de materiales sólidos entre distintas manipulaciones del mismo proceso, como entre procesos distintos (Tabla 24.2). Existen muy distintos tipos de cintas transportadoras diseñadas para satisfacer exigencias muy diversas. Las más corrientes son la siguientes:

 Cinta transportadora «sinfin» («Belt conveyor»): Está constituida por una banda sinfín que rueda tensada entre dos rodillos, uno de los cuales actúa como rodillo tractor. Pueden ser de malla o de alambre de acero inoxidable, de goma sintética o de materiales compuestos a base de lona, acero y poliuretano o poliéster. Brown (1983) ha descrito con detalle distintos tipos de cintas transportadoras. Las planas se emplean para el transporte de alimentos envasados y las acanaladas para el de materiales a granel. Algunas de ellas se montan con una inclinación de 45 grados: En estos casos, la cinta posee unos travesaños que permiten el transporte del producto hacia un nivel superior sin que refluya. Para cargas más pesadas se emplean cintas transportadoras con travesaños metálicos o de madera.

 Cintas transportadoras «de rodillos» y «de patines» («Roller conveyor» and «skate wheel conveyors»): Las cintas transportadoras de rodillos o patines, se montan, bien horizontalmente para el transporte de los alimentos por impulsión manual, o ligeramente inclinadas para el transporte por gravedad. Las de rodillos son más resistentes que las de ruedas y pueden por tanto transportar cargas más pesadas. Poseen una inercia mucho mayor y el manejo de la carga en los cambios de dirección y curvas resulta más difícil. Cuanto mayor es la inclinac ión de la cinta mayor es, lógicamente, la aceleración de la carga. En la mayor parte de los casos un desnivel de 10 cm en tres metros resulta suficiente. Las cintas transportadoras de tracción mecánica se emplean, bien horizontalmente o con una inclinación máxima de 10-12°.

 Cinta transportadora «de cadena» («Chain conveyor»): Este tipo se emplea para el transporte de barriles, cajas, bidones y demás recipientes para el transporte de productos a granel. Poseen unos salientes en los que el fondo del recipiente se apoya durante su transporte. Un sistema de cinta monorraíl semejante, se emplea también para el transporte elevado de canales y piezas de carne.  Transportadores «de tornillo sinftn» («Screw conveyor»): Los transportadores de tornillo están constituidos en esencia por un elemento helicoidal que rueda dentro de una carcasa metálica. Se utilizan para el transporte de alimentos a granel (por ejemplo: harina y azúcar) y de alimentos particulados (guisantes o granos). Las principales ventajas de este

sistema son: flujo uniforme y facilidad de control. Son instalaciones muy compactas (carecen de cinta de retorno). Algunas de ellas van instaladas en el interior de una carcasa hermética (tubos), lo que tiene la ventaja de que permite evitar la c ontaminación del producto durante su transporte. Se pueden montar tanto horizontal como verticalmente, o con distintos grados de inclinación. Sin embargo, como durante el transporte se produce mucha fricción, con objeto de reducir el consumo energético, su longitud no suele superar los 6 metros. Bates (sin fecha) ha descrito con detalle la utilización de estos sistemas.  Cintas transportadoras vibratorias («Vibratory conveyors»): Estas cintas están sometidas a un movimiento de vibración vertical (que impulsa al alimento unos milímetros sobre la cinta) y un movimiento de progresión (que lo transporta en sentido longitudinal Fig. 24.2). Regulando la amplitud del movimiento de vibrac ión se puede ajustar la velocidad y la dirección del movimiento. Como la amplitud del movimiento vibratorio puede ajustarse con precisión, este tipo de transporte resulta muy adecuado como sistema de alimentación en distintos procesos de elaboración. Se utiliza también para el transporte de alimentos pegajosos (carne picada) o friables (snacks).  Transportadores «de travesaños» («Flight conveyors»): Está constituido por una cadena sinfín, dotada de ganchos o travesaños, que se desplaza en el interior de una carcasa cerrada. Este sistema se suele utilizar para el transporte de materiales a granel (granos o harinas). Estas cadenas suelen circular a una velocidad baja (640 m/min-1) y a inclinaciones que nunca superan los 30°, ya que de lo contrario el material transportado refluye.

Elevadores Los cuatro principales tipos de elevadores son los siguientes :  Elevadores de cangilones («Bucket elevators»): Están constituidos por una cinta sinfín dotada de una especie de recipientes de plástico. La capacidad de transporte de estas cintas es, con productos pulverulentos y particulados, muy elevada. En ellas el flujo de material a transportar se establece mediante la forma y separación de los cangilones, el sistema de

descarga y la velocidad de la cinta (15-100 m/min-1).  Elevadores magnéticos («Magnetic elevators»): Se emplean en las conserveras para transportar latas. Este sistema permite sujetarlas latas con firmeza, por lo que éstas pueden incluso transportarse invertidas (para su limpieza) a velocidades relativamente elevadas, con un ruido mínimo.  Elevadores de travesaños («Flight elevators»): Están constituidos por una cinta sinfín dotada de travesaños. Este sistema resulta muy flexible, de forma que puede utilizarse para el transporte a granel de una gran variedad de alimentos que fluyen con facilidad. Su capacidad de transporte es elevada y poseen la ventaja de que ocupan poco espacio en la fábrica.  Elevadores neumáticos («Pneumatic elevators»): En este sistema los alimentos pulverulentos, o finamente particulados se transportan suspendidos en un flujo de aire que recircula en un circuito cerrado a velocidades de 1.000-1.700 min-1. La velocidad de aire es, en este sistema, crítica, ya que, si es demasiado baja, el producto se deposita y si es demasiado elevada, la abrasión que producen contra la cara interna de los conductos es muy grande. Para la clasificación de alimentos o para su deshidratación se utilizan unas instalaciones muy semejantes. Con objeto de evitar la acumulación de electricidad estática provocado por el rozamiento, la humedad del alimento se controla y la instalación se conecta a masa. Estas precauciones son especialmente importantes cuando se transportan alimentos pulverizados, ya que de esta forma se evita el riesgo de explosiones. Estas instalaciones funcionan con suavidad pero no deben sobrecargarse. Poseen pocas partes móviles (lo que reduce los gastos de mantenimiento) y requieren tan sólo un buen suministro de aire comprimido a 700 kPa.

TEMA 6 ESCALDADO Y PELADO AL VAPOR Objetivos  Definir la operación de escaldado, su utilidad y su ámbito de aplicación  Estudiar los fundamentos de la operación de escaldado y sus parámetros de diseño y operación  Definir la operación de pelado al vapor y estudiar su aplicación el la industria alimentaria  Estudiar el diseño y la operación de la operación de pelado al vapor  Diferenciar las operaciones de escaldado y pelado al vapor  Conocer los equipos industriales en los que se realizan las operaciones presentadas

1. Introducción En este tema se estudian dos operaciones de estabilización térmica de principio y operación similar pero con dos fines muy distintos. Ambas operaciones consisten en la exposición del alimento a un fluido caliente (que es siempre agua o vapor calientes, aunque podrían emplearse otros) durante un corto periodo de tiempo (segundos o hasta minutos). Los fines perseguidos en cada una de estas operaciones son diferentes:  El ESCALDADO se realiza con el objetivo de destruir enzimas, principalmente en los vegetales, que catalizan determinadas reacciones de degradación. El enzima que se toma como ejemplo para esta operación es la peroxidasa, proteína que cataliza la oxidación de vatios aceptores de protones (reductores) a costa de peróxidos o de oxígeno molecular en su defecto. Son ricos en peroxidasa vegetales como el espárrago y semillas como la soja, esta última en su membrana externa. La peroxidasa es un oxidante tan eficaz que se ha propuesto su empleo en procesos industriales tales como el blanqueamiento de pasta de papel en sustitución de la lejía.  El PELADO AL VAPOR por otro lado es un calentamiento local y muy intenso de la superficie que desorganiza los tejidos y permite separar la piel fácilmente. También el escaldado con agua cercana a los 100ºC permite separar la piel, pero es mucho más eficiente el uso de vapor a presión por su mayor temperatura y porque la descompresión al final del ciclo ayuda a arrancar la piel.

Como diferencia mencionaremos que durante el escaldado se pretende que el calor penetre hasta donde esté la enzima. El pelado al vapor, por otra parte, persigue que el calor penetre lo menos posible. Obviamente, también se puede escaldar con vapor.

2. Escaldado Es un calentamiento de corta duración destinado a inactivar las enzimas propias de un alimento de forma que se detenga su actividad metabólica y cese la degradación del alimento. Entre las enzimas que producen estas degradaciones se encuentran la catalasa, lipooxigenasas y la peroxidasa. Si estas enzimas están en la piel del alimento, basta un tratamiento superficial en el que se produzca un calentamiento muy localizado.

Por otra parte, a veces es necesario que el calor penetre más profundamente, para alcanzar temperaturas del orden de los 60-65 ºC en el centro de un alimento, y así inactivar enzimas que se encuentran repartidas por toda la masa del alimento. Durante el escaldado pueden tener lugar los siguientes fenómenos

 Se compacta el producto, al colapsarse estructuras internas y eliminarse gases. Así el alimento no flota en el líquido de gobierno, lo que es muy conveniente en el caso de conservas.  El número de microorganismos presentes se reduce a veces hasta en un 90%, especialmente los superficiales. Esto es de gran utilidad en el caso de frutos, en los que la carga microbiana se concentra en el exterior.  Se inactivan enzimas y se desnaturalizan algunas proteínas  Se desorben gases como el oxígeno. La concentración de residual en el después del escaldado es mínima, con lo que se impide la oxidación del producto y la corrosión de la hojalata, si este es el envase elegido.

Por otra parte, el escaldado produce algunos cambios indeseables:  Pérdida de nutrientes por disolución, tales como sales minerales, vitaminas hidrosolubles y otros componentes solubles en agua.  Cambios en la textura, fundamentalmente ablandamiento de los tejidos, así como cambios en la dureza, rigidez y cohesión  Cambios en el sabor y color. En general son indeseables, aunque en ocasiones el escaldado resalta el color de los mismos por la acción del aire sobre su superficie.

De lo expuesto debe quedar claro que el escaldado debe ser considerado una operación de estabilización complementaria, y no un método de conservación por sí sólo. Es típico el escaldado de productos vegetales antes de su congelación, ya que de esta forma de impide en desarrollo de olores y sabores extraños durante el almacenamiento en congelación, prolongando mucho la vida del alimento congelado.

t

En cualquier caso, ambas operaciones tienen como objetivo provocar una alteración mínima de las propiedades nutricionales y de las características organolépticas de los alimentos tratados.

Ejemplo: inactivación de peroxidasa de zanahoria a varias temperaturas.

2.1. Aplicación del escaldado El escaldado es típicamente un tratamiento térmico previo a la congelación de verduras y frutas. Durante el escaldado de frutas y verduras se someten a un baño de agua a temperaturas comprendidas entre 95-100ºC durante varios minutos con el fin de destruir las enzimas que puedan alterar sus propiedades organolépticas y nutritivas. Destrucción de enzimas: la actividad enzimática es muy reducida a –18ºC (temperatura estandar de almacenamiento de congelados), pero sería necesario un almacenamiento a – 40ºC para conseguir el cese de esta actividad. Por ejemplo, las judías verdes sin escaldado congeladas a –18ºC, adquieren un sabor a heno después de 3 meses de almacenamiento.

Aunque

el

escaldado

produce

INICIALMENTE

perdida

de

vitaminas ,

permite GLOBALMENTE limitar la pérdida total por la eliminación de las enzimas responsables de su destrucción. Por ejemplo, en el caso de habas conservadas durante 12 meses a –20ºC:

 Habas no escaldadas: las perdidas de vitamina C, B1 y B2 son respectivamente del 90%, 20% y 40%.  Habas escaldadas: perdidas de vitamina C, B1 y B2 del 50%, 30% y 3% respectivamente. Destruyendo las enzimas se consigue estabilidad del color y nutricional.

Uso de aditivos químicos durante el escaldado Se utilizan escasamente y solo cuando el escaldado no sea suficiente. En general se aplican en el agua de escaldado para reforzar la acción de éste. Los tratamientos más habituales son:  Disminución del pH del agua de escaldado con ácido cítrico, se disminuye la temperatura y tiempo del tratamiento (se utiliza para las berenjenas).  Adición de ácido ascórbico para prevenir el pardeamiento enzimático debido a su carácter reductor (reduce las quinonas, antes de polimerizarse, a sus componentes fenólicos originales).  La adición de SO2 complementa al escaldado porque interfiere de forma irreversible la reacción de pardeamiento enzimático, ya que reacciona con las quinonas dando productos no coloreados e impidiendo su polimerización. No obstante tiene efectos nocivos como destrucción de la vitamina B1 , alteración del sabor y además es peligroso si se sobrepasan ciertos límites de tolerancia.

2.2. Diseño de la operación de escaldado. Puesto que el fin de la operación es producir la desactivación de una enzima, se puede decir que el diseño de una operación de escaldado requiere fijar o calcular las tres siguientes variables: 1. Elegir la temperatura del baño o medio calefactor 2. Calcular el tiempo de penetración del calor hasta el punto más desfavorable 3. Calcular el tiempo de residencia del producto para producir un grado (%) de inactivación de la enzima responsable del deterioro. Por supuesto, el tiempo total de exposición es la suma de los tiempos calculados en los apartados 1 y 2.

2.2.1. Temperatura del medio calefactor El escaldado suele realizarse en el intervalo de 60ºC a 100ºC. Por ejemplo, son típicos procesos a temperaturas de 80ºC durante unos minutos o a 100ºC durante unos segundos

La correcta la temperatura a la que se va a realizar el escaldado depende del alimento que se esté escaldando (forma, tamaño y propiedades térmicas), de dónde esté situada la enzima a desactivar y de su cinética de desactivación así como de la susceptibilidad del alimento a sufrir transformaciones de color y textura a causa del calor.

Así tratamientos cortos a alta temperatura son adecuados para desactivar enzimas que se encuentran en la superficie, mientras que las que se encuentran por todo el alimento responden mejor a tratamientos más prolongados a baja temperatura, que alteran menos las propiedades del alimento. En general, es difícil aconsejar una temperatura determinada. La determinación requiere la realización de pruebas empíricas y la evaluación del producto escaldado por un panel de catadores.

2.2.2. Tie mpo de penetración del calor Es un problema de transferencia del calor en el estado no estacionario que vd. ya sabe resolver. Sin embargo, hay que destacar que se pueden producir dos tipos de situaciones 1. Que se desee tratar todo el volumen del alimento. 2. Que se desee tratar la piel o un pequeño espesor exterior.

1.- El calor debe penetrar hasta el centro. Para resolver este problema vd puede usar las gráficas de Gurney y Laurie. Para ello debe conocer (a modo de repaso): -

Geometría del alimento y tamaño.

-

Posición: centro (n=0).

-

Conocer las propiedades térmicas del alimento (k ó α, Cp) y la densidad.

-

Conocer las propiedades térmicas del baño (h).

Con lo anterior, ya puede calcular m ó su inverso (Biot) y determinar el tiempo que tarda el centro en calentarse hasta la temperatura deseada (calcule Y para leer de la gráfica el correspondiente número de Fourier) del que se despeja el tiempo. Cuestiones Desea escaldar tomates de 7 cm de diámetro usando un chorro de vapor de 100ºC. Si los tomates están inicialmente a 20ºC, calcular el tiempo que llevará que se alcancen 65ºC en el centroun punto a 2mm bajo la superficie.

¿Cómo afectaría que el calentamiento se realizase en un baño de agua a 95ºC? vapor en vez de esféricos se pudiesen considerar cilíndricos (con L=D si es que ésto fuese necesario?

2.- El escaldado es superficial. En este caso las gráficas de Gurney y Laurie son a menudo inefectivas por dos motivos -

No reproducen bien lo que pasa en tiempos cortos (el calentamiento suele ser corto en este caso)

-

La representación de la posición es muy burda.

En este caso suele ser muy ventajoso el uso de la siguiente gráfica.

Esta gráfica sólo sirve para el caso de transferencia del calor en el estado no estacionario denominado “sólido semiinfinito”, que se da cuando un punto del sólido (en este caso el centro) no cambia de temperatura durante el calentamiento Hay que destacar que en el caso de que la resistencia por convección sea despreciable frente a la resistencia del sólido (Bi>40 ó m=0, caso del uso de vapor o de un baño bien agitado) el problema tiene solución analítica.

(Esta es la función errf(P), que aparece en muchos problemas estadísticos y es manejada directamente por muchas calculadoras y la mayoría de programas de cálculo). En la Ecuación anterior, Y es la aproximación fraccional a la temperatura

y en módulo P se define como:

Siendo x la posición expresada como distancia desde la superficie del alimento hasta el punto considerado.

Cuestión Desea escaldar patatas aproximadamente esféricas de 8 cm de diámetro usando un chorro de vapor de 120ºC. Si las patatas están inicialmente a 20ºC, calcular el tiempo que llevará que se alcancen 100ºC en un punto a 2 mm bajo la superficie.

2.2.3. Tie mpo de residencia del producto Es el tiempo requerido para que la concentración de enzima se reduzca hasta un nivel adecuado que suele cifrarse entre el 90% y el 99.9% del contenido inicial. Si la enzima presenta una cinética de degradación de 1er orden, que es lo más habitual, el tiempo de residencia se estima de la siguiente forma. Co: Concentración inicial de enzima Cf: Concentración final de enzima

kd: Constante cinética de desactivación de la enzima (depende de T) Y el tiempo se calcula como:

(Por ejemplo, para una reducción del 99% queda un 1% de la enzima inicial y Cf = Co/100, para) Cuestión: Para la desactivación de peroxidasa de zanahoria se tiene que la constante cinética se puede obtener de la ecuación de Arrhenius sabiendo que a 65ºC k = 0,015 min -1 con Ea = 14,8·104 J mol-1. Obtenga el tiempo que tarda en

eliminar el 99% de la enzima a 55ºC, 65ºC y 75ºC. Si escalda con un baño de agua a 100ºC calcule el tiempo total de la operación para zanahorias de 2 cm de diámetro.

3. Pelado al Vapor Es también un calentamiento de corta duración pero, a diferencia del escaldado, su finalidad es desorganizar los tejidos externos del alimento, de forma que se desprendan con facilidad. Por esto el calentamiento que se produce durante el pelado al vapor es mucho más intenso y corto, y se desea que el calor penetre lo menos posible a la masa del alimento.

Con el desarrollo de sistemas de pelado a presión, el vapor no sólo desestructura los tejidos, sino que se consigue crear sobrepresiones debajo de la piel del alimento que permiten arrancar literalmente la piel produciendo una descompresión súbita, incrementando la eficacia del proceso. Estos peladores de alta presión son además muy rápidos y dan productos de gran calidad ya que el calor penetra muy poco.

3.1. Aplicabilidad del pelado al vapor El pelado al vapor es aplicable a una gran variedad de frutos. Las posibilidades son muy variables, pudiéndose usar desde vapor saturado hasta vapor de alta presión. La figura siguiente muestra un ciclo de pelado utilizado para el tratamiento de patatas prefritas.

El pelado puede constar de un solo ciclo o de varios. Las condiciones concretas dependen del tipo de alimento.

El pelado al vapor tiene muchas ventajas:  Permite un elevado grado de automatización.  Los ciclos son muy cortos, por lo que se pueden procesar muchos lotes.  Se pueden controlar muy bien las condiciones de presión y temperatura

 Calentamiento y enfriamiento son muy rápidos, por lo que el control de la penetración del calor es excelente  El uso de vapor de alta presión y una descompresión brusca provocan la aparición de vapor bajo la piel que ayuda al pelado.  Por todo lo expuesto, el control del pelado es excelente, lo que permite minimizar las pérdidas.

El pelado al vapor permite un control muy preciso de la distribución de temperaturas dentro del fruto, tal y como se muestra en la figura siguiente

Los únicos inconvenientes del pelado al vapor son que no es aplicable a productos con la piel muy seca o que el equipo es algo más caro y complicado que un baño de agua, por lo que su uso sólo se justifica ante volúmenes de producción de medios a altos.

3.2. Diseño de la operación de pelado al vapor El diseño básico de la operación de pelado conlleva la decisión o cálculo de los siguientes parámetros:  Elección de la presión y temperatura del vapor  Cálculo del tiempo de exposición para una penetración del calor dada.

En el caso del pelado al vapor sólo hay que calcular el tiempo de penetración del calor, a diferencia del escaldado, ya que no es necesario mantener la temperatura al no ser necesario desactivar ninguna enzima.

Este calculo básico se realiza de la misma forma que en el caso del escaldado superficial, usando la gráfica recogida en ese apartado o con la función errf(P)=Y.

Ejemplo: Calcule el tiempo de exposición de una patata de 80 mm de diámetro a vapor de 150ºC para conseguir una temperatura de 120ºC a 1,5 mm debajo de la superficie.

El diseño avanzado implica imponer dos condiciones a la penetración del calor. El caso más interesante es el imponer dos temperaturas a dos distancias de la superficie. En este caso se obtienen a la vez la temperatura del vapor y el tiempo de exposición.

Ejemplo: Se desea diseñar un ciclo de pelado al vapor para una patata de 80 mm de diámetro a vapor de forma que se alcancen 115ºC a 1,0 mm debajo de la superficie y que no se superen los 100ºC a 2,5 mm. Calcule t y t para obtener el fin deseado Cálculo: Sean (T1, x1) y (T2, x2) las dos temperaturas en las dos posiciones fijadas. Sea Tv la temperatura del vapor y T0 la temperatura inicial. Para la resolución del problema se

aplica:

en ambas posiciones. Se obtiene el siguiente sistema de

ecuaciones:

En un problema concreto, las únicas incógnitas son Tv y t, temperatura del vapor y tiempo de exposición, que se obtienen resolviendo el anterior sistema de ecuaciones.

Ejemplo: Durante el pelado a vapor de una patata que se encuentra a una temperatura inicial de 20ºC deseamos alcanzar 120ºC a 1mm bajo la superficie y 99ºC a 1,5 mm bajo la superficie. Para ello hay que usar un ciclo de 24,7 segundos de exposición a vapor de

166,6ºC (ver solución en MathCAD). Existen otros casos del problema cuya solución es fácil de deducir a partir de lo expuesto.

4. Equipo de escaldado y pelado al vapor. El equipo para llevar a cabo ambas operaciones es obviamente diferente, ya que se manejan fluidos de propiedades muy distintas y porque el escaldado se hace a presión atmosférica mientras que en el pelado al vapor es habitual la utilización de presiones elevadas.

Sin embargo, es común a ambos equipos que el diseño va orientado a favorecer el contacto entre el material a tratar (promover turbulencia y en consecuencia favorecer el intercambio de calor) y en facilitar un contacto uniforme y que alcance a toda la superficie exterior del fruto

También deben posibilitar un tiempo de contacto o residencia uniforme para todos los frutos. Un escaldador puede ser, por tanto, un simple baño de agua en el que se introducen los productos durante el tiempo deseado. Otro diseño mejor es, sin embargo, el escaldador rotatorio que se muestra a continuación.