UNIVERSIDAD

NACIONAL DE PIURA
1

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL – VIII CICLO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

“CINÉTICA DE DESTRUCCIÓN TÉRMICA”

2018

FACULTAD DE INGENIERÌA INDUSTRIAL

 CINÉTICA DE DESTRUCCIÓN
laboratio: mermelada de TÉRMICA
piña

I. INTRODUCCIÓN

El estudio de las curvas de penetración de calor se inicio en los primeros años del siglo
XX por investigadores que evaluaron a los microorganismos que ocasionaban el
deterioro y descomposición de los alimentos; entre ellos podemos citar los trabajos de
2
Bigelow (1920), que sirvieron de base para desarrollar un método gráfico de calculo. Ball
(1923), propuso un método analítico que no requiere de procesos de experimentación.
Posteriormente, los trabajos de Stumbo, Olson y Steven permitieron el desarrollo de los
procesos de esterilización y de la cinética.

Una de las principales razones por la que los alimentos son calentados , es la
inactivación de microorganismos patógenos y sus esporas, sin embargo, el proceso de
calentamiento en alimentos induce cambios físicos o reacciones químicas que afectan
ciertas características sensoriales (Lewis & Heppell, 2000).

La esterilización por calor de productos alimenticios envasados, es una tecnología

atribuida al trabajo de Nicholas Appert en el siglo XVII. Los procesos térmicos varían
considerablemente en su severidad, dependiendo de la vida útil que se quiera dar al
producto, el tipo de producto, el medio de esterilización, el contenedor del alimento y
otras características de calidad que se quieran preservar u otorgar (Lewis & Heppell,
2000).

La cinética se encarga de estudiar las velocidades de reacción que pueden presentar

cambios en el alimento o en la carga microbiana que contiene, cuando son afectados
por temperatura, velocidad de calentamiento, humedad, pH, presión. La presencia y
cantidad de reactantes y otras condiciones (Romero, Doval, Sturla, Fogar, & Judis, 2004)

En la actualidad existen modelos matemáticos que permiten predecir el crecimiento de

un amplio rango de microorganismos patógenos y deteriorativos de alimentos, bajo
distintas combinaciones de factores ambientales, intrínsecos y extrínsecos. El modelado

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matemático se realiza asumiendo condiciones constantes para determinar los valores de
los parámetros cinéticos de crecimiento (Giannuzzi, Pinotti, & Zaritzky, 1998).

II. MARCO TEORICO

Los microorganismos tienen diferentes resistencias al calor, por ejemplo, las células
vegetativas y las levaduras son más susceptibles, mientras que las esporas son más
resistentes a altas temperaturas (Lewis & Heppell, 2000) 3

De acuerdo con los estudios realizados por Bron y Booth (1991), el medio que rodea al
microorganismo tiene una gran influencia, especialmente el pH, la actividad de agua, y la
concentración t la diversidad de materiales biológicos en el sistema alimenticio (Lewis &
Heppell, 2000).

El tipo de alimento al que se va a someter al tratamiento térmico, puede estar asociado

con microrganismos que se desarrollan o presenta de manera habitual en el sistema
bajo condiciones determinadas, y a este microorganismo no caracteriza una resistencia
térmica que se necesita conocer para la aplicación del proceso térmico y con ello,
asegurar la esterilidad y seguridad del producto. Adicionalmente, con la aplicación del
tratamiento térmico adecuado, las enzimas pueden inactivarse, con lo que se logra
mantener un alto valor nutrimental en el producto. Todos estos factores requieren el
conocimiento del rango de muerte térmica o degradación bioquímica en función del
tiempo y de la temperatura (Lewis & Heppell, 2000).

Tanto las células como las esporas de los microorganismos difieren mucho en la
resistencia a las temperaturas elevadas. Algunas de estas diferencias son debidas a
factores que se pueden controlar, aunque otras son propias de los microorganismos y
no siempre se pueden controlar (Lewis & Heppell, 2000).

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III. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA
TERMORESISTENCIA DE LOS
MICROORGANISMOS
1. Tipo de microorganismos

Los microorganismos patógenos pueden presentar variación en la resistencia a la

temperatura; como los campilobacter, microbacterium tuberculosis, salmonella,
listeria y la de la mayor preocupación Escherichia coli 0157, los cuales son inactivas
mediante la pasteurización; de gran resistencia en el bacillus cereus, el cual puede 4

sobrevivir a la pasteurización y crecer a bajas temperaturas. El microorganismo

patógeno más termorresistente y de mayor preocupación en la industria de los
alimentos es el Clostridium botulinum (Elliot, Clark, & Lewis, 1983)

Por lo anterior, se considera para la aplicación del tratamiento térmico la variación

de la resistencia a la temperatura de cada microorganismo, un ejemplo de esporas
termorresistente son las del microorganismo Bacillus sttearothermophilus, que en
la mayoría de alimentos de baja acidez enlatados, se toma como indicador de la
inactivación de microorganismos patógenos, ya que este no se considera de riesgo
para la salud pública y es permitida su manipulación, y con la inactivación de este,
se asegura la destrucción del microorganismo patógeno (Elliot, Clark, & Lewis,
1983)

2. Relación tiempo-temperatura

Bajo una serie de condiciones, el tiempo necesario para destruir las células
vegetativas o las esporas disminuye conforme aumenta la temperatura. Esto se
puede observar con los resultados obtenidos por Bigelow y Esty (1920)
presentados en la siguiente tabla:

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 TEMPERATURA °C TIEMPO DE MUERTE TERMICA (min)
100 1200
105 600
110 190
115 70
120 19
125 7
130 3
135 1 5
Fuente: Bigelow y Esty (1920)

Otra forma de aumentar la termorresistencia es por causa de los rangos de

temperatura durante los cuales el microorganismo crece, se ha reportado que los
microorganismos con rangos de calentamiento debajo o igual a 0.7 °C min-1 y
precondicionados a entre 45 y 50 °C durante 5 a 60 minutos aumentan su
termorresistencia (Hyun-Jung, Shaogin, & Juming, 2006).

3. Concentración inicial de esporas o células vegetativas.

Entre mayor sea el número de esporas, mayor va a ser el tratamiento térmico. En

la tabla II se muestra los resultados que obtuvieron Bigelow y Esty (1920), cuando
sometieron a tratamiento térmico (120%C) un jugo de maíz (pH 6,0) que contenía
esporas de un microorganismo termófilo procedente de una conserva enlatada
que se había alterado.

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 6

Se puede observar que el número de esporas influyó en el tiempo de tratamiento a

temperatura constante (120%C), lo que nos indica que mientras más esporas haya
que eliminar el tiempo de tratamiento va a ser mayor (Lewis y Heppell, 2000).

4. Antecedentes de las células vegetativas o esporas.

En su grado de termorresistencia influirán las condiciones del medio bajo las cuales han
crecido las células, o se han originado las esporas (Frazier y Westhoff,1993):

- El medio de cultivo: La influencia que ejercen los nutrientes del medio, su tipo y
su concentración, será distinta para cada microorganismo, aunque, en general,
cuanto más rico es el medio de crecimiento más termorresistentes son las células
vegetativas o esporas (Frazier y Westhoff, 1993).

- La temperatura de incubación: La termorresistencia aumenta conforme la

temperatura de incubación aumenta, aproximándose a la temperatura óptima de
crecimiento del microorganismo, y en algunos casos, la termorresistencia
aumenta conforme se aproxima a su temperatura máxima de crecimiento
(Frazier y Westhoff, 1993).

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 - La fase de crecimiento o edad: La termorresistencia de las células vegetativas
dependen de la fase de crecimiento en que se encuentre, mientras que la
termoresistencia de las esporas depende de su edad. La termorresistencia de las
células bacterianas es máxima en la etapa final de la fase lag, y casi tan elevada
en la fase estacionaria máxima. Durante la fase de crecimiento logarítmico las
células vegetativas son menos termorresistentes. En cuanto a las esporas se
refiere, las esporas jóvenes (inmaduras) son menos termorresistentes que las
maduras, por lo que se necesita una menor intensidad de tratamiento térmico
para la destrucción de las esporas en las primeras etapas de su desarrollo (Frazier
7
y Westhoff, 1993).

- Deshidratación: La destrucción de las esporas deshidratadas de algunas bacterias

resulta más difícil que la de aquellas que retienen humedad, aunque parece ser que esto
no aplica a todas las esporas bacterianas (Frazier y Westhoff, 1993). Lo anterior se debe
a que cuando se aplica el tratamiento térmico, el agua que contienen las esporas eleva la
temperatura de estas provocando su destrucción.

5. Composición del sustrato.

La composición del sustrato en el cual se encuentran las células vegetativas o esporas

influye en la velocidad de inactivación de los microorganismos al someterse al
tratamiento térmico, ejemplos de variaciones de la composición se presentan a
continuación:

- Humedad: El calor húmedo es un agente antimicrobiano mucho más eficaz que el

calor seco. Mann y Brashears (2006), realizaron estudios de la contribución de la
humedad a la letalidad de la Salmonella durante el proceso térmico. Reportaron
que la destrucción de la Salmonella durante el proceso térmico varía a diferentes
niveles de humedad con temperaturas que van desde la temperatura de cocción
normal hasta 82.2%C. En los resultados muestran una interacción significativa
entre la letalidad del microorganismo y la humedad, ya que a una humedad del
30% se presenta una letalidad del 100%, a este porcentaje de humedad se dice que
se presenta el máximo potencial de letalidad, este tratamiento es equivalente a

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 obtener letalidad de 6.5 log. A rangos de humedad menores no hubo buenos
resultados, sin embargo, a rangos de humedad entre 60 y 90% fue suficiente para
obtener una reducción mayor o igual a 6.5 log de reducción de Salmonella (Mam
y Brashears, 2006).
En otro trabajo realizado por Pranhan et al., (2006), reportan el efecto de la
humedad en la inactivación de Listeria innocua. Los resultados que reportan
señalan que con un tratamiento térmico a temperaturas de 177 y 200%C durante
un tiempo de 2 a 10 minutos a una humedad entre 70 y 75% (humedad por
volumen), y una velocidad de aire de 1 m/s, presenta una reducción de 0.3 a 1.4
8
ciclos logarítmicos y de 08 a 1.8 ciclos logarítmicos a 177C. y 200C
respectivamente (Pranhan et al., 2006).
La termorresistencia de las levaduras y de sus esporas al calor húmedo depende
de la especie e incluso de la cepa y, naturalmente, del sustrato con el cual se
somete a calentamiento. (Frazier et al.,1993; Sillijer et al., 1983). La mayoría de los
mohos y sus esporas son destruidos por el calor húmedo a 60*C en un tiempo de
5 a 10 minutos, aunque algunas especies son más termorresistentes. Las esporas
asexuales son más termorresistentes, se necesita una temperatura superior de 5
a 109 C porarriba de las de micelio normal. Muchas especies del género
Aspergillus y algunas de los géneros Penicillium y Mucor son más
termorresistentes que otros mohos; Byssochlamys fulva (Paecillomyces) es un
moho muy termorresistente que crece en la superficie de las frutas, provisto de
ascosporas resistentes (Frazier et al., 1993; Sillijer et al., 1983).
La termorresistencia de las células vegetativas de las bacterias es de muy
diferente grado en cada una de las especies, oscilando desde cierta
termorresistencia de las poco patógenas, las cuales son destruidas con facilidad,
hasta las termófilas, las cuales, para que se destruyan, es posible que se requiera
el empleo de temperaturas de 80 a 90 C durante varios minutos (tablas HI y IV)
(Frazier et al., 1993).

- Concentración de iones hidrógeno (pH): Tanto las células vegetativas como las
esporas, son más termorresistentes en un pH cercano a la neutralidad. Un

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 aumento en la acidez como en la basicidad acelera su destrucción por el calor, sin
embargo, un aumento hacia la acidez es más eficaz para la destrucción de los
microorganismos (Norris y Pettipher1987).

En el año de 1940, Cameron

clasificó a los alimentos enlatados
en alimentos ácidos, cuyo pH es
inferior a 4,5 y alimentos de acidez
baja, de pH superior a 4,5 (Tabla V).

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IV. PARAMETROS CINETICOS PARA LA
INACTIVACIÓN DE MICROORGANISMOS
1) Tiempo de reducción decimal o valor D

La muerte de microorganismos a una temperatura elevada es generalmente aceptada

por la cinética de primer orden, la cual se basa en que a una temperatura constante el
rango de muerte de los microorganismos es directamente proporcional con la
10
concentración presente en un tiempo en particular.

El resultado de la cinética de primer

orden es definido por el tiempo
durante el cual el número de
microorganismos muere de uno a diez
del el numero inicial en un intervalo de
tiempo, independientemente del
número actual (Rees & Bettison, 1991).

Esto puede ser descrito, siguiendo un número de microorganismos, teniendo una

temperatura letal constante y después teniendo el número de microorganismos que
murieron en el tiempo dado.

En este tiempo, la cantidad de microrganismos que decrecen es en un factor de 10 (o se

reducen en un 90%), este valor es conocido como tiempo de reducción decimal (D) para
estos microrganismos. En términos generales, el valor de D puede ser definido como el
tiempo a cualquier temperatura para destruir el 90% de las esporas o células vegetativas
de un microorganismo dado (Rees & Bettison, 1991)

Esto esta muy bien establecido en alimentos de baja acidez, el nivel aceptable de
sobrevivencia de esporas de Clostridium botulinum es 10-12; que es, 1 espora en 10%
inicialmente (1 en 1,000,000,000,000) puede sobrevivir el proceso térmico. Este
rango de

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supervivencia de 10-12, o de reducción de 12 ciclos logarítmicos, para el Cl. botulinum
es conocido como el concepto de 12D, que fue propuesto por Stumbo (1965) (Lewis y
Heppell, 2000).

La muerte térmica de microorganismos puede ser expresada matemáticamente en

términos de la concentración de microorganismos (C) por la
ecuación 1 (Rees y Bettison, 1991):

11

A diferentes tiempos ti y to», la respectiva concentración de organismos C¡ y C2 es dada

integrando la ecuación 2 (Rees y Bettison, 1991):

Es usual que se considere el número de microorganismos N en lugar de la

concentración, entonces la ecuación quedaría de la siguiente manera (Rees y Bettison,
1991):

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donde N2/N; es la proporción de microorganismos o esporas, que es, la proporción del
número inicial de microorganismos que sobrevivieron después del intervalo de tiempo
(t2-t1), y log1o (N2/N) es el número de reducción de ciclos logarítmicos en el número de
microorganismos en el intervalo de tiempo (Rees y Bettison, 1991).

El término 1/k” es reemplazado por D, el tiempo de reducción decimal, que es definido

como el tiempo necesario para reducir un ciclo logarítmico la carga microbiana.

Sustituyendo D en lugar de 1/k” nos queda la ecuac ión 5 (Rees y Bettison,1991):

12

donde No es número inicial de esporas el tiempo cero y N; es el número de esporas al tiempo t.

Esta ecuación es la llave que liga el número de microorganismos o esporas con a un tiempo
dado con una temperatura letal constante. Si pudiéramos graficar los datos
experimentales en un rango logarítmico de log1o (N2/N¡) contra el tiempo, el resultado
sería una línea recta de pendiente 1/D..

Como la temperatura con la que se trata los alimentos incrementa, el rango en el cual
los microorganismos mueren también incrementa y por lo tanto, el valor de tiempo
de reducción decimal disminuye. Sin embargo, la naturaleza de la relación entre el
tiempo de reducción decimal y temperatura ha sido sujeta a mucho trabajo
experimental y debates teóricos. Los modelos más usados para cuantificar esta
relación son el modelo de cálculo del valor z y el modelo de Arrhenius, los cuales son
los teóricamente más aceptados (Lewis y Heppell, 2000).

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 2) Constante de tiempo de muerte térmica o valor Z

En los trabajos de Begelow (1921) y Bigelow y Esty (1920) se muestra una relación lineal
entre el logaritmo del tiempo de reducción decimal para esporas y la temperatura.

Para muchos años los tecnólogos en alimentos, especialmente los de la industria

enlatadora, han seguido este modelo.

El valor de Z puede ser definido como el número de grados que hay que aumentar ara
que la curva de muerte térmica disminuya un ciclo logarítmico al tiempo D (Rees & 13

Bettison, 1991) .

donde Dref = D a la temperatura de referencia, Rref = 121.1C , Dr=D a la temperatura

T y z es la constante de muerte térmica (Rees y Bettison, 1991).

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 14

Modelo delaecuación deArrhenius

La ecuación de Arrhenius ha sido empleada para describir el efecto de la temperatura en

las reacciones cinéticas y

puede ser utilizado para calcular muerte térmica. La ecuación cinética de Arrhenius es
(Rees y Bettison, 1991):

donde A es una constante, F, es

la energía de activación para la
reacción, R es la constante del
gas, y Ok es la temperatura
absoluta.

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V. CONCLUSIONES
La aplicación de tratamiento térmico a alimentos en cuanto a la calidad, pretende
minimizar las reacciones químicas y pérdida de nutrientes, y con ello, mantener las
características sensoriales.

Por lo anterior hay conflictos en cuanto a calidad y seguridad. Por ejemplo, la

inactivación microbiana y la seguridad del alimento se incrementa entre más severo sea
el tratamiento térmico, pero la calidad sensorial u organoléptica del producto
generalmente disminuye. Sin embargo, se deben tomar en cuenta ambos aspectos y 15
considerar el factor que está afectando más la calidad final del producto, y basándose
en ese factor, se deben de plantear los procesos.

Se debe de considerar para el cálculo de los procesos las variables cinéticas (D y z), para
llevar a cabo un tratamiento térmico adecuado y no sobreestimar o subestimar el
proceso al cual el alimento debe ser sometido. De igual importancia es, tener
conocimiento de la flora bacteriana que esta asociada con los materiales, para
aplicárseles el tratamiento térmico apropiado. Por lo anterior, es importante entender
las reacciones cinéticas y como se relacionan: la inactivación microbiana, el daño
químico, la inactivación enzimática y los cambios físicos.

En general, el procesamiento térmico elimina las necesidades de usar aditivos para

extender la vida de anaquel, sin embargo, los aditivos mejoran las características
sensoriales o hacen a los alimentos menos susceptibles a contaminarse. Esto es para las
reacciones que tienen lugar durante el tratamiento térmico, ya sean químicas,
enzimáticas, o los cambios físicos que continúen durante el almacenamiento. Los
microorganismos que sobreviven al tratamiento térmico pueden desarrollarse si las
condiciones son favorables durante el almacenamiento y manejo. Todas las reacciones
mencionadas son dependientes de la temperatura y los cambios que se deben
considerar ocurren durante el almacenamiento.

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