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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA

LA MATERIA PRIMA Y EL PROCESO

Br. Hugo Díaz C.I. 19.592.121 Br. Guillermo Pérez C.I. 20.487.213

Ingeniería de los Alimentos Julio 2019

El procesado de alimentos es de naturaleza estacional, tanto por lo que se refiere a la demanda de productos como a la disponibilidad de materias primas, muchas de las cuales han de ser importadas. Al igual que cualquier otro, el fabricante de alimentos quiere disponer de un suministro continuo de materias primas, en cantidad suficiente y de la calidad adecuada (lo que le permitirá una planificación anual), estables durante el almacenamiento, que ofrezcan características uniformes y a un precio predecible. En la práctica, son pocos los ítems de estos criterios que se satisfacen. En general, la adecuación para el proceso (S) de una materia prima alimentaria viene determinada por la evaluación equilibrada de algunas de sus propiedades, como: • • • • •

disponibilidad (a) geometría (g) propiedades físicas (p) propiedades funcionales (f) grado de desarrollo (gr)

• • • •

propiedades mecánicas(m) características térmicas (t) eléctricas (e) Otras

Por tanto: 𝑺 = 𝝓(𝒂 + 𝒈 + 𝒑 + 𝒇 + 𝒈𝒓 + 𝒎 + 𝒕 + 𝒆 + ⋯ )

(Ec. 1)

La importancia relativa de estos factores y su contribución al índice de adecuación variará, por supuesto, con la materia prima, el proceso y el producto final a obtener.

Las propiedades más importantes para la selección de la materia prima son: a) Propiedades geométricas: forma, uniformidad, ausencia de irregularidades, tamaño unitario, peso unitario. b) Otras propiedades físicas: color, textura, características aero e hidrodinámicas, propiedades fricciónales y de superficie. c) Propiedades funcionales: flavor, resistencia a la tensión, aptitud para el procesado. d) Características relacionadas con el grado de desarrollo: etapa de de sarrollo y grado de madurez.

a) PROPIEDADES GEOMÉTRICAS. Los alimentos de geometría regular son los más apropiados para los procesos mecanizados de alta velocidad. Las variedades de patatas lisas, con “ojos” superficiales, son las preferidas para el lavado y pelado mecánicos. Igualmente, las variedades de tomate de piel lisa se lavan más fácilmente que las variedades de piel rugosa (que tienden a albergar insectos, como la Drosophila). Otros ejemplos de selección por la forma lo constituyen los cerdos con lomos largos, para la producción de tocino y las judías de vainas rectas, cuyo troceado mecánico es más fácil.

Factores como la forma, la uniformidad, la carencia de irregularidades superficiales y el tamaño son, por tanto, índices importantes de aptitud para el procesado. •

Forma:

Las relaciones dimensionales de un alimento son importantes, entre otros, en los siguientes casos: empaquetado, control del peso en el llenado, la congelación, el enlatado y otros procesos térmicos y para determinar como se comportan estos materiales durante el transporte neumático y el almacenamiento a granel. Las medidas de un conjunto de muestras nos permite conocer la magnitud de la contribución de cada variable dimensional a la adecuación global del proceso. Utilizando ecuaciones como la mostrada a continuación, donde se relacionan las dimensiones máximas y mínimas de muestra de frutas y hortalizas, se puede calcular el número de unidades,o el peso, que pueden introducirse en un envase. 𝐥𝐨𝐠(𝒅𝒆𝒍 𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏) = 𝒃𝟏 ∗ 𝐥𝐨𝐠(𝒆𝒋𝒆 𝒎𝒂𝒚𝒐𝒓) + 𝒃𝟐 ∗ 𝐥𝐨𝐠(𝒆𝒋𝒆 𝒎𝒆𝒏𝒐𝒓)

(Ec. 2)

Asimismo, existen diversos alimentos, como por ejemplo papas con diversas formas, lo cual permite ejecutar el lavado y pelado mecánico en aquellas con características mas amigables; tomates de diversos tamaños y varieades, otorgando facilidad de procesado de una variedad a otra. También existen frijoles de vainas rectas cuyo troceado mecánico es más fácil. Entonces, la forma se transforma en una propiedad o características muy importante, ya que influye bastante en el procesado de la materia prima.

Fig 1. Procesado de melocotones

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Uniformidad:

Es importante para el llenado de envases, el transporte, el tratamiento térmico, la congelación, la deshidratación y las operaciones de selección y clasificación. La redondez de las galletas y las hamburguesas, la esfericidad de las manzanas y las patatas, la fusiformidad de las peras y la piriformidad de los pepinos, son ejemplos de características uniformes deseables. Las clasificaciones por la forma de las variedades de frutas y hortalizas del Reino Unido de la Gran Bretaña han sido estudiadas por diversos expertos en el tema, los cuales describen procedimientos para medir la redondez y esfericidad y han catalogado datos relativos a las variedades de manzanas y otras frutas norteamericanas. Este tipo de información ayuda al fabricante a seleccionar los cultivares más apropiados para determinados fines.

Fig 2. Frutas de diversas variedades

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Carencia de irregularidades en la superficie:

Evidentemente, la existencia de salientes o depresiones superficiales en las unidades (piezas) de los alimentos plantean problemas en la limpieza y en las operaciones de procesado. La industria alimentaria consume relativamente mucha mano de obra y energía, y las materias primas constituyen una gran parte del costo de los alimentos procesados. Las imperfecciones superficiales, eliminadas intencionadamente o durante el procesado, contribuyen de modo significativo a estos costos. Deberán, pues, seleccionarse o desarrollarse variedades específicas en las que se minimicen estos defectos.

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Tamaño y peso de las unidades:

Existen dimensiones óptimas para cada proceso y es preciso que las materias primas cumplan estas especificaciones. El calibrado puede contribuir al control del tamaño y el peso, pero las materias primas con exceso o defecto de peso o tamaño crean al fabricante problemas económicos y de eliminación del producto inservible. El peso unitario puede determinarse mediante balanzas automáticas o por pesada manual de muestras representativas. Para asegurar un procesado uniforme (calentamiento, enfriamiento, esterilización, etc.) y pesos netos uniformes en el relleno de los envases, es obligado partir de una materia prima de tamaño o peso también uniformes. El tamaño tiene gran importancia en el control de residuos (los cocientes piel/pulpa y hueso/pulpa, por ejemplo, dependen del tamaño); el índice de aprovechamiento logrado en los procesos en los que se tratan productos unitarios (por ej., en el pelado) depende también del tamaño de la pieza o unidad tratada En la industria alimentaria, es esencial el muestreo y el subsiguiente control de la uniformidad de peso y tamaño de las materias primas.

b) OTRAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS MATERIAS PRIMAS. En la selección de las materias primas alimentarias, deben considerarse, además de las propiedades geométricas, muchas otras propiedades físicas. Entre ellas cabe citar el color, la textura, la resistencia al esfuerzo mecánico, las propiedades aero e hidrodinámicas, las características fricciónales y las propiedades de superficie.

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Color:

En los procesos a baja temperatura (congelación y liofilización), son mínimos los cambios de color durante el procesado, por lo que el color de la materia prima es un índice razonable de su adecuación para estos procesos. En los procesos térmicos (por ej., enlatado y deshidratación), en cambio, el color de la materia prima no constituye un índice de adecuación a los mismos. Así, algunas variedades de manzanas y peras desarrollan un tono rosa al enlatarlas, en tanto algunas variedades de cerezas se decoloran, a consecuencia de la migración de los pigmentos al jarabe. En hortalizas verdes, durante el procesado térmico, la clorofila se transforma en feofitina, de color verde parduzco. El control del color se efectúa seleccionando variedades cuyo comportamiento frente al procesado se conozca, usando un pretratamiento correcto, como el escaldado y estableciendo condiciones de procesado diseñadas para reducir al mínimo el cambio del color natural del alimento. Puede ser necesario añadir colorantes, preferentemente de origen natural, o, en el caso límite, los artificiales permitidos.

Fig 3. Hortalizas de diversos colores

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Propiedades texturales:

La textura de las materias primas ofrece una gran importancia. La primera condición a cumplir, al respecto, es que la materia prima resista el esfuerzo mecánico a la que es sometida durante las operaciones preparatorias. En segundo lugar, la materia prima debe resistir las condiciones de procesado y dar un producto final con la textura deseada. Se han desarrollado variedades de frutas y hortalizas con mayor resistencia al esfuerzo mecánico, como albaricoques y tomates de piel dura, adecuados para el lavado, el pelado y la selección. La determinación de las características texturales se basa en pruebas sensoriales, con catadores entrenados, o en ensayos instrumentales. Instrumentos clásicos usados a este fin son el Tenderómetro, el Maturómetro, el Texturómetro. A pesar de que es difícil establecer una correlación entre percepciones sensoriales y medidas instrumentales, estas determinaciones permiten predecir la conducta de las materias primas durante el procesado.

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Propiedades aero e hidrodinámicas:

Las diferencias existentes entre las propiedades aero e hidrodinámicas de las partes deseables y desechables de una materia prima pueden servir de base para los procesos de adecuación de las diversas materias primas. Además, el aire y el agua son frecuentemente utilizados para el transporte, la mezcla y el procesado. Así pues, las propiedades aerodinámicas e hidrodinámicas son características importantes de las materias primas, debido a que en muchos puntos deltro

del proceso de los alimentos es necesario el conocer el comportamiento de los alimentos frente a ellos. •

Propiedades friccionales:

Las propiedades fricciónales de los alimentos juegan, por tanto, un papel importante en el transporte gravitacional o neumático, en la carga y descarga de recipientes o espacios para el almacenamiento a granel y en las operaciones de mezcla. Por ejemplo, los granos de cereales puedan deslizarse por una rampa y para descargarlos de un depósito a granel, deben vencer las fuerzas estáticas de fricción, debidas a la acción interpartículas y a la fricción partícula-pared. Cuando el producto comienza a fluir, para que el flujo continúe, tiene que sobrepasarse el coeficiente de fricción dinámica Pueden aprovecharse las diferencias en las propiedades fricciónales, para la separación de contaminantes, en las operaciones de limpieza y para separar las unidades defectuosas o dañadas de las que están sanas. Conocer y comprender las propiedades fricciónales de los ingredientes alimenticios puede ser la diferencia en el logro de un procesado eficaz.

Fig 4. Procesadora de Granos

c) PROPIEDADES FUNCIONALES DE LAS MATERIAS PRIMAS ALIMENTARIAS. Una materia prima de funcionalidad ideal es aquella cuyo procesado permite obtener un producto de primera calidad, y una eficacia de procesado máxima. Evidentemente, las propiedades funcionales exigidas a una materia prima varían con el proceso a que vayan a ser sometidas. Existen múltiples ejemplos de variedades desarrolladas para fines especiales, por ejemplo, razas de ovejas para la producción de lana o carne y de ganado vacuno para la producción de carne o leche; variedades de trigo que producen harinas blandas, pobres en proteínas, adecuadas para la elaboración de galletas y tartas y otras, de elevado contenido proteínico, que se emplean para obtener harinas destinadas a la panificación La selección de materias primas basadas en su funcionalidad exige, de ordinario, el ensayo piloto de estas variedades. En algunos casos, es posible evaluar la funcionalidad, mediante determinaciones químicas o físicas o a través de ensayos de ambos tipos. Como ejemplo, cabe citar la evaluación de la aptitud de las harinas de trigo para la panificación y la repostería o galletería, empleando aparatos especialmente diseñados.

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Flavor:

En general, por tanto, las variedades seleccionadas para el procesado deberán proporcionar sólo flavores característicos del alimento, ni muy fuertes ni muy débiles. Por esto, el flavor tiene menos importancia que otros factores (color y textura), en la determinación de la adecuación de una variedad para el procesado. En algunos casos, el flavor de un alimento procesado es función de los aditivos más que de la materia prima. Como ejemplos, pueden citarse los jarabes fuertemente aromatizados, añadidos a algunas frutas enlatadas, y los hidrolizados de proteína y extracto de levadura, añadidos a las sopas de carne.

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Resistencia al esfuerzo durante el procesado:

En este punto, se hace necesaria la implantación de ensayos pilotos con el objetivo de aceptar una materia prima en especifico para su procesado, donde además de evaluar la respuestas de dichas materias primas al proceso de adecuación, se estudian diversos parámetros del cultivo u obtención de las mismas. Se presentan ejemplos como en el que diversas variedades de manzanas difieren ampliamente en lo que respecta a su adecuación para el procesado. Algunas variedades para postres se ablandan al procesarlas y resultan, por lo tanto, inadecuadas. Para el enlatado o la congelación, se prefieren variedades firmes, de carne blanca y sabor ácido. Asimismo, una variedad especifica de peras muy ácidas y ricas en tanino, adquieren color rosa al enlatarlas. Se ha observado que las condiciones de cultivo y el tipo de suelo son importantes para el control de este defecto y el color rosa se puede evitar, utilizando frutas de pH alto

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Carencia de defectos:

La fabricación de alimentos es, desgraciadamente, una actividad que rinde pocos beneficios, y está basada en materias primas de origen natural, que representan un factor esencial del costo. Es, por lo tanto, vital conseguir materias primas en las que la frecuencia de defectos sea baja. La limpieza, la selección y la clasificación generan trabajo y gastos y pueden dañar el producto. Estos procesos preparatorios constituyen etapas esenciales del procesado, pero la factoría debe estar cuidadosamente diseñada y los operarios bien entrenados para reducir al mínimo los daño producidos. El efecto combinado de estas actividades lesivas se traduce en una gran cantidad de desperdicios, en casi todas las factorías alimentarias. Evidentemente, la estrategia básica consiste en partir de una materia prima de alta calidad y tratarla con el mayor cuidado posible. Los defectos que afectan a la adecuación para el procesado son los siguientes: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪

Deformidades y desigualdades geométricas. Lesión mecánica, debida a impacto, punción o abrasión. Defectos de color. Lesiones producidas por animales, hongos y otros microorganismos. Contaminación por materias extrañas. Defectos texturales o funcionales. Inmadurez o madurez excesiva.

d) PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL GRADO DE DESARROLLO. En la fabricación de alimentos, las características de las materias primas naturales o derivadas de las naturales son una preocupación fundamental. Por lo cual, el proceso de fabricación de un determinado producto ya no abarca solamente lo que ocurre en el edificio, sino que se extiene mucho mas allá, es decir, contempla el proceso de siembra y recolección de las materias primas usadas. Por ello, el fabricante se implica en muchos aspectos que antes concernían solo al proveedor, como la compra bajo contrato, la programación del cultivo, el transporte y el almacenamiento.

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Adquisición de materias primas bajo contrato:

La adquisición de materias primas en el mercado libre está hoy obsoleta. Ahora, el fabricante de productos alimenticios contrata previamente, con el granjero o el agricultor, la producción de una determinada extensión de tierra de cultivo. En este sistema, el fabricante se responsabiliza de todas o algunas de las siguientes operaciones: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪

Planificación de la siembra. Sum inistro de las semillas de variedades selectas, fertilizantes y fitosanitarios. Establecimiento de la fecha de recolección. Suministro de ayuda técnica, vía sus agentes de campo. Provisión del equipo para la recolección y, a veces, de la mano de obra. Provisión de los medios de transporte adecuados a sus sistemas de producción y manipulación.

Es un método muy eficaz de asegurar el suministro de los productos necesarios, en el momento y en la cantidad oportunos.

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Producción selectiva de materias primas:

Cualquier mejora importante de la adecuación de las materias primas al fin al que se destinan, o de la ampliación del período de recolección, mejoran la eficiencia del procesado y el grado de utilización de la fábrica. El desarrollo de variedades adecuadas exige una estrecha cooperación entre los cultivadores, los centros de investigación y los fabricantes, habiéndose realizado, en este campo, considerables progresos, como la producción selectiva de materias primas. La producción de materias primas seleccionadas para el procesado es hoy muy frecuente. Entre los ejemplos típicos, se pueden citar la de patatas, tomates y cebollas, con un elevado contenido en materia seca; la de tomates de los que se obtienen purés de mejor color y sabor; la de coles de Bruselas más aptas para la congelación y la de variedades de pepinos carentes de sabor amargo

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Maduración:

La madurez de las materias primas influye, tanto en el control de la calidad del producto final, como en la eficacia del procesado. Las variedades para procesar requieren que la madurez sea uniforme (para facilitar la recogida mecánica) y predecible, para poder programar la temporada de trabajo. La madurez excesiva conduce al rechazo de una gran cantidad de producto, a lesiones durante la manipulación y al deterioro durante el almacenamiento.

En algunos alimentos, por ejemplo, las carnes, los quesos y los vinos, es esencial un período de maduración, en tanto que en otros (por ejemplo, huevos) la maduración es indeseable. Las frutas y las verduras se pueden recolectar en una amplia gama de estados de madurez, dependiendo del fin a que se destinen.

Fig 5. Proceso de maduración

MECANIZACIÓN Y MATERIAS PRIMAS La industria alimentaria, se enfrenta a un elevado costo de mano de obra y una baja rentabilidad, lo cual ha causado la mecanización de sus operaciones hasta donde le ha sido posible. Sin embargo, la mecanización, que ofrece indudables ventajas al estar bien planeada, puede desembocar en daños excesivos de los productos.

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Daños causados al producto:

Las principales causas de los daños sufridos por los alimentos durante su preparación son debidas a los operarios (producto de una manipulación poco cuidadosa), a procedimientos mecánicos de manipulación poco adecuados, al mal diseño del equipo y a la carga incorrecta de los contenedores. Los daños se producen en una fase muy precoz de la cadena de fabricación, comenzando por el criador y el cultivador y extendiéndose a lo largo de todo el procesado, incluidos el empaquetado y la distribución. Los daños se manifiestan de diversos modos: alteración del aspecto; infecciones por mohos y otros microorganismos que invaden las áreas magulladas y pinchadas; infestaciones por insectos o gusanos y aceleración de los procesos de deterioro enzimáticos y químicos. Con frecuencia, los daños sufridos por una pieza se transmiten a los productos sanos adyacentes, causando pérdidas económicas y reduciendo o invalidando la eficacia del procesado. Los productos se lesionan por:

▪ ▪ ▪ ▪

por impacto con otros o con superficies duras por excesiva presión debida al amontonamiento por punción por abrasión ocasionada por el movimiento y la vibración.

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Recolección mecánica:

La sustitución de la recolección selectiva a mano por la mecánica del tipo “de una sola vez” o destructiva ha reducido sustancialmente los costos de mano de obra, pero tiene muchos inconvenientes. Entre los más importantes, se hallan el incremento del daño producido y la consiguiente merma de calidad, y el aumento de la inversión y los costos de mantenimiento. Además, este sistema requiere una coordinación cuidadosa entre el campo y la fábrica. Con frecuencia, exige alteraciones del proceso y cambios en los sistemas de manipulación y almacenamiento. En el Reino Unido, son familiares las recolectoras combinadas de guisantes, la cosechadora de judías y diversas cosechadoras de tubérculos. En los Estados Unidos, se han desarrollado numerosas cosechadoras para otras plantas (frutas en baya, espárragos, pepinos, coles y tomates). Las manzanas y los cítricos se pueden recolectar empleando máquinas que sacuden los árboles o que utilizan chorros de aire Las cosechadoras mecánicas hoy en uso utilizan uno o más de los siete principios siguientes: 1. 2. 3. 4.

Sacudida de los árboles o arbustos productores de la fruta. Peinado (frutas en bayas, como las fresas). Corte (coles, lechugas, coliflores, etc.); la planta se secciona a nivel del suelo. Arranque (zanahorias, rábanos y apio); los tallos son abrazados por cintas que se mueven a ambos lados de la planta. 5. Desprendimiento (pepinos y mazorcas de maíz) usando rodillos de caucho blando que giran diferencialmente. 6. Desvainado (guisantes) que implica arrancar, desprender o cortar las matas y desgranar las vainas. 7. Desenterramiento mecánico (patatas, cebollas, etc.). La recolección mecánica, por tanto, requiere un enfoque multidisciplinar, en el que trabajan en estrecha colaboración criadores, granjeros, tecnólogos de los alimentos, ingenieros y economistas.

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Transporte de las materias primas:

Es indispensable, en cualquier proceso, disponer de materias primas de la calidad exigida, en las cantidades requeridas y en el momento deseado. En la industria alimentaria, se dan problemas peculiares de aprovisionamiento. Los alimentos frescos son proclives al deterioro microbiano y al causado por insectos y reacciones químicas; en muchos casos, continúan respirando. Una vez recolectados, sólo son disponibles durante un período de tiempo relativamente corto. Los retrasos en el suministro desorganizan la producción y dañan la calidad de las materias primas. Se deberá poner especial cuidado en la elección de los contenedores, que habrán de mantenerse limpios y en buen estado de uso, impidiendo así la contaminación de la materia prima con fragmentos de madera, clavos, etc. Cuando el transporte se realice en sacos y bolsas, es necesaria una cuidadosa limpieza y examen de los mismos. Los vehículos de transporte requieren una atención especial; deberán conservarse adecuadamente, a fin de evitar que los alimentos se decoloren o impregnen por los gases del escape o el combustible. Los vehículos deben desplazarse suavemente, sin paradas, y estar bien

ventilados, a fin de que el calor de los productos se disipe durante el viaje y deberán limpiarse a fondo y mantenerse libres de insectos.

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Almacenamiento de las materias primas:

El ideal sería que todas las materias primas se procesasen, sin demora, al llegar a la factoría. En la práctica, casi nunca es posible, por lo que es necesario disponer de una zona para el almacenamiento de las materias primas y los productos parcialmente procesados. De este modo, pueden absorberse los retrasos en los suministros, los picos de la producción y los fallos de la factoría y se hace posible la compra anticipada, cuando las condiciones del mercado son favorables. las condiciones del almacenamiento de la mayoría de los alimentos son muy específicas con respecto a la temperatura, la humedad y la atmósfera del entorno. El almacenamiento inmoviliza el capital y resulta caro. Las exigencias impuestas por numerosos alimentos requieren una consideración muy cuidadosa, al planificar la zona de almacén de la factoría.