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CONTENIDO

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PRESENTACIÓN ESTUDIO DE LA VIDA ÚTIL DE LOS ALIMENTOS ING° C. JAVIER DEL ÁGUILA GALLARDO Cuenta con estudios de Ingeniería de Sistemas de Información, Ingeniería en Industrias Alimentarias, Maestría en PMI, Especialización en Sistemas de Gestión de Calidad Agroalimentaria. Ha realizado importantes investigaciones en Ciencia y Tecnología a nivel país. Quality Engineering Certificate

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CONTENIDO ✓OBJETIVOS ✓VIDA DE ANAQUEL ✓CARACTERÍSTICAS DEL DETERIORO ✓CLASIFICACIÓN DEL DETERIORO ✓EMPAQUES – FUNCIONALIDADES ✓MÉTODOS DE DETERMINACIÓN ✓REACCIONES DE ORDEN CERO ✓REACCIONES DE PRIMER ORDEN ✓MICROBIOLOGÍA CON COMBASE ✓MICROBIOBIOLOGÍA PREDICTIVA CON : ✓ COMBA ✓ SSPS © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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OBJETIVOS

Dar a conocer a los alumnos la aplicación de las diferentes ordenes de reacción para determinar la vida útil de los alimentos

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VIDA DE ANAQUEL Se define como el tiempo en el cual éste conservará sus propiedades fisicoquímicas, organolépticas y nutricionales.

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CARACTERÍSTICAS DEL DETERIORO Durante el almacenamiento y distribución los alimentos son expuestos a una gran variedad de condiciones ambientales, pueden desencadenar varios mecanismos de reacción que puede conducir la degradación del alimento Además el deterioro de los alimentos pueden ser de origen químico, físico o microbiológico © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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CLASIFICACIÓN DE LOS CAMBIOS INDESEABLES Atributo

Cambio - Disminución de la Solubilidad

Textura

- Disminución de la capacidad para retener el agua - Endurecimiento - Reblandecimiento Desarrollo de : - Rancidez (hidrolítica y oxidativa) - Sabor acaramelado o de cocción - Otros Gustos extraños - Oscurecimiento - Blanqueamiento - Desarrollo de colores extraños Pérdida o degradación de : - Vitaminas - Minerales - Proteínas - Lípidos

Sabor

Color

Valor Nutritivo

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CAMBIOS FÍSICOS Los cambios físicos son causados por el mal trato que se da a los productos del agro durante el proceso de cosecha , procesamiento y distribución. Los alimentos deshidratados almacenados en ambientes húmedos, los alimentos congelados que sea expuesto a fluctuaciones , los vegetales almacenados en atmósfera con baja humedad pierden agua.

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CAMBIOS QUÍMICOS Causas principales

Consecuencias

Manifestaciones

Hidrólisis de lípidos

Los ácidos grasos libres reaccionan con las proteínas

Textura, sabor , valor nutritivo

Hidrólisis de Polisacaridos

Los azucares reaccionan con las proteínas

Textura, color, sabor y valor nutritivo

Oxidación de lípidos

Los productos de oxidación reaccionan con muchos otros constituyentes

Textura, color, sabor y valor nutritivo

Golpes en las frutas

Células rotas, enzimas liberadas, oxigeno accesible

Textura, color, sabor y valor nutritivo

Calentamiento de verduras

Pérdida de integridad de las células de las paredes y membranas, ácidos y enzimas

Textura, color, sabor y valor nutritivo

Calentamiento de tejido muscular

Agregación y desnaturalización de proteínas inactivación de enzimas

Textura, color, sabor y valor nutritivo

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CAMBIOS MICROBIOLÓGICOS El desarrollo de microorganismos causantes de deterioro en los alimentos depende de las condiciones que lo rodean. Factores Físicos

Factores Químicos

Factores Microbianos

Temperatura

Sustratos disponibles

Sustratos utilizados

Actividad de Agua

Valor de pH

Productos finales formados

Potencial de Oxidoreducción

Concentración de solutos principales

Número y tipo de microorganismos presentes

Presencia de oxigeno

Velocidad máxima de crecimiento

Conservantes

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EMPAQUES Y LA CALIDAD DE LOS ALIMENTOS

En el mundo desarrollado, la adquisición de productos frescos no es una opción muy viable Los empaques no solo deben de proteger el producto de los daños microbiológicos, sino mantener las características sensoriales.

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FUNCIONES DEL EMPAQUE

Los empaques cumplen las siguientes funciones : 













Contener el alimento Proteger el alimento de las acciones físicas, químicas y microbiológicas Conservar la calidad y salubridad del alimento Evitar fraudes Acondicionar el producto Para manipulación comercial Presentar e identificar el producto.

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FUNCIONES DEL EMPAQUE

Los empaques cumplen las siguientes funciones : 















Compatibilidad envase-alimento Adecuación a las necesidades del consumidor Adaptación a la línea de envasado Disponibilidad en el mercado Adecuación a la normalización técnica y a la legislación Posibilidad de comunicar una información al consumidor Compatibilidad medio ambiental Precio adecuado

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ENVASES DE VIDRIO

El vidrio es una substancia hecha de sílice, carbonato sódico y piedra caliza. Características : 















Material extremadamente resistente, puede soportar presiones hasta de 100 Kg/cm2 Buena resistencia térmica Es maleable Reutilizable y reciclable Impermeable Su hermeticidad depende del cierre No puede ser perforado por agentes punzantes Permite larga vida de anaquel

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ENVASES DE VIDRIO

Características : 









Es barrera contra cambios de temperatura Es indeformable y rígido Garantiza un volumen constante con algún rango Presenta inercia química Es impermeable a los gases.

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ENVASES DE PLÁSTICO

Los plásticos son materiales susceptibles de moldearse mediante procesos térmicos, a bajas temperatura y bajas presiones. Características : 













Baja densidad Flexibilidad Resistencia a la fatiga Bajo coeficiente de fricción Baja conductividad térmica Resistencia a la corrosión Resistencia al impacto

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ENVASES DE PLÁSTICO • • • • • • • •

Poliolefínas Polietileno Polietileno de baja densidad (PEBD) Polietileno de baja densidad: (PEAD) Cloruro de Polivinil (PVC) Cloruro de Polivinil Dieno (PVDC) Etilen Vinil Alcohol (EVOH) Polietilen Tereftalato (PET) Policarbonato

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ENVASES METÁLICO

Un envase metálico, se define como un recipiente rígido diseñado para contener productos líquidos y/o sólidos que además puede cerrarse herméticamente. Características : 







Resistencia Estabilidad térmica Integridad Química Versatilidad

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MÉTODOS PARA DETERMINAR LA VIDA DE ANAQUEL

La estimación de la vida de anaquel de los alimentos puede hacerse por métodos estadísticos o por modelos matemáticos.

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MÉTODOS PROBABILISTICOS

Se utilizan principalmente cuando se hace el estudio a través de evaluación sensorial se debe establecer inicialmente el valor donde el producto se considera inaceptable. La esencia de estos métodos consiste en considerar la vida útil como una magnitud aleatoria y describir su comportamiento mediante un modelo probabilístico.

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MÉTODOS PROBABILISTICOS | Función del Riesgo

En análisis de la supervivencia se llama función de riesgo a una función que mide la probabilidad de que a un individuo le ocurra cierto suceso a lo largo del tiempo. Sea T una variable aleatoria definida sobre el intervalo [0, ∞) que indica la probabilidad de que un sujeto sobreviva más allá de un determinado plazo de tiempo. Sea F(t) su función de distribución. Entonces Sea F(t) su función de distribución. Si f(t) es su correspondiente función de densidad, es decir,

entonces la función de riesgo es

La función de riesgo h(t), es una función continua y puede describirse mediante una función de densidad probabilística f(t) y la función de probabilidad a cumulada F(t)

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MÉTODOS PROBABILISTICOS | Función del Riesgo

Los valores de riesgo h(x) para las unidades que fallan están denotados por la expresión :

h x = 100/K

:∞

𝐻(𝑡) =

Riesgo Acumulado :

;∞

Función de transformada de Weibull (1951) : 𝐿𝑜𝑔 ∝ = 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜 𝑖 ;

1 𝛽

𝑓 𝑥 𝑑𝑥 1 − 𝐹(𝑥) 1 L𝑜𝑔𝑡 𝐻 = 𝐿𝑜𝑔 ∝ + 𝑙𝑜𝑔𝐻 𝛽

= Pendiente

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MÉTODOS MATEMÁTICO

Aplicando el principio fundamental de la cinética química, la velocidad de cambio en la calidad de los alimentos puede expresarse en forma general como una función de la composición y los factores ambientales, es decir : 𝑑𝑄 = 𝐹(𝐶𝑖𝐸𝑗) 𝑑𝑡 Donde 𝐶𝑖 , son factores de composición, tales como concentración de componentes, catalizadores inorgánicos, enzimas, reacciones de inhibición, pH, actividad del agua o población microbiana; y 𝐸𝑗 son factores ambientales, tales como temperatura, humedad relativa, presión total y parcial de los diferentes gases o luz. © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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DIAGRAMA RESUMEN DE LOS MÉTODOS FISICOQUÍMICOS DE ESTUDIO DE VIDA ÚTIL

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ORDEN DE REACCIÓN

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REACCIÓN DE ORDEN CERO 𝑑𝐴 = −𝑘𝐴𝑛 𝑑𝑡

Donde A es un factor físico, químico, microbiológico o sensorial de calidad; k es una constante que representa la rata de variación del factor A, la cual puede ser positiva o negativa, dependiendo de si se trata de ganancia o de pérdida, donde n es el orden de la reacción, y t es el tiempo.

Cuando n=0

𝑑𝐴 = −𝑘 𝑑𝑡

𝐴𝑒

𝑡

𝑑𝐴 = −𝐾 𝐴𝑜

Esto implica que la velocidad de pérdida A es contante en el tiempo e independiente de la concentración de A, integrándose

𝑑𝑡 0

𝐴𝑒 − 𝐴𝑜 = −𝐾𝑡

𝐴𝑒 = 𝐴𝑜 − 𝐾𝑡

Ae es el valor de Ae al final de la vida media, Ao es el valor inicial de A , t es la vida media, en días, meses o años y k es la constante de velocidad de la reacción © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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REACCIÓN DE ORDEN CERO | Gráfica

𝐴𝑒 = 𝐴𝑜 − 𝐾𝑡

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REACCIÓN DE ORDEN CERO | Ejemplo Pardeamiento de un zumo de fruta durante el almacenamiento Pardeamiento de un zumo de fruta durante el almacenamiento. Se cuenta con zumo de fruta que está almacenado durante 60 días y durante ese tiempo se hacen lecturas de densidad óptica en intervalos de 10 días. 1. Determinar si la reacción de pardeamiento se puede caracterizar por una cinética pseudo orden cero. 2. Calcular la vida útil si la densidad óptica de 0,24 este valor simboliza el final de la vida útil

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REACCIÓN DE ORDEN CERO | Ejemplo Pardeamiento de un zumo de fruta durante el almacenamiento

Pardeamiento

0.18

Tiempo Días

Densidad Óptica

0.16

0 10 20 30 40 50 60

0.05 0.071 0.089 0.11 0.128 0.149 0.17

0.12

y = 0.002x + 0.0501 R² = 0.9996

0.14

0.1 Series1

0.08

Lineal (Series1)

0.06 0.04 0.02 0 0

20

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40

60

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80

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REACCIÓN DE ORDEN CERO | Ejemplo Pardeamiento de un zumo de fruta durante el almacenamiento De acuerdo a la ecuación lineal obtenemos el valor de : Pardeamiento Tiempo Días

Densidad Óptica

0 10 20 30 40 50 60

0.05 0.071 0.089 0.11 0.128 0.149 0.17

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒 ∶ 𝐴𝑜 = 0.0501 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑦 𝑘 = 0.002 (𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒)

𝐴𝑒 = 𝐴𝑜 + 𝐾𝑡 𝐴𝑒 − 𝐴𝑜 𝑡= 𝑘

𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑡

𝑅𝑒𝑒𝑚𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑜𝑠

𝑡=

0.24 𝑢𝑛𝑖𝑑 − 0.0501 𝑢𝑛𝑑 0.002 𝑢𝑛𝑑/𝑑𝑖𝑎

𝑡 = 94.95 ~ 95 𝑑í𝑎𝑠

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REACCIÓN DE PRIMER ORDEN 𝑑𝐴 = −𝑘𝐴𝑛 𝑑𝑡

Cuando n=1

𝐴𝑒 𝐴𝑜

𝑑𝐴 = −𝐾 𝐴

𝑑𝐴 = −𝑘𝐴 𝑑𝑡

Esto implica que la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración del reactante A

𝑡

𝑑𝑡 0

𝐿𝑛𝐴𝑒 − 𝑙𝑛𝐴𝑜 = −𝐾𝐴𝑡

Ln𝐴𝑒 = 𝐿𝑛𝐴𝑜 − 𝐾𝑡

Ae es el valor de Ae al final de la vida media, Ao es el valor inicial de A , t es la vida media, en días, meses o años y k es la constante de velocidad de la reacción

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REACCIÓN DE PRIMER ORDEN | Gráfica

𝐿𝑛𝐴𝑒 = 𝐿𝑛𝐴𝑜 − 𝐾𝑡

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REACCIÓN DE PRIMER ORDEN | Ejemplo Reducción de Vitamina C de un Jugo Se ha determinado la concentración de ácido ascórbico para el almacenamiento de 18 días.  Determinar la constante de velocidad  El fabricante desea declarar la concentración de vitamina C de 15 mg / 100 ml en la etiqueta. ¿Por cuánto tiempo sería válido desde el día de la fabricación entendiéndose que el valor inicial es de 50 mg/100 ml?

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REACCIÓN DE PRIMER ORDEN | Ejemplo Reducción de Vitamina C de un Jugo

4.5

Ac. Ascorb

Tiempo Días

mg / 100 ml

0

50

3.91202301

3

40

3.68887945

6

35

3.55534806

9

30

3.40119738

12

25

3.21887582

15

22

3.09104245

18

20

2.99573227

Ln(A)

Ácido ascórbico mg/100

4

y = -0.051x + 3.8677 R² = 0.9904

3.5 3 2.5

Series1 2

Lineal (Series1)

1.5 1 0.5 0

0

5

10

15

20

Días

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REACCIÓN DE PRIMER ORDEN | Ejemplo Reducción de Vitamina C de un Jugo De acuerdo a la ecuación lineal obtenemos el valor de : Ac. Ascorb

Tiempo Días

mg / 100 ml

0

50

3.91202301

3

40

3.68887945

𝐸𝑙 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑠

6

35

3.55534806

𝑘 = −0.051 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑦 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒 15

9

30

3.40119738

12

25

3.21887582

15

22

3.09104245

18

20

2.99573227

𝑡=

𝐿𝑛𝐴𝑜 − 𝑙𝑛𝐴𝑒 𝑘

Ln(A)

Ln𝐴𝑒 = 𝐿𝑛𝐴𝑜 − 𝐾𝑡 𝑅𝑒𝑒𝑚𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑜𝑠

𝑚𝑔 𝑚𝑙 100

𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑗𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑡

𝒕=

𝒍𝒏(𝟓𝟎) − 𝐥𝐧(𝟏𝟓) 𝟏 𝟎. 𝟎𝟓𝟏 𝒅𝒊𝒂𝒔

𝑡 = 23.60 ~ 24 𝑑í𝑎𝑠

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MODELO ACELERADOS

Los métodos acelerados de la estimación de la durabilidad son útiles para disminuir el tiempo dedicado a los ensayos de estimación cuando se están estudiando productos no perecederos.

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MODELO ACELERADOS

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MODELO ACELERADOS | ARRHENIUS

La vida de anaquel acelerada puede ser usada para predecir la vida de anaquel a condiciones normales, basadas en datos recolectados a altas temperaturas y altas condiciones de humedad relativa; o por medio de una ecuación que involucre la energía de activación.

𝑡𝑠 =

𝐸𝑎 1 1 ; 𝑅 (𝑇𝑜;𝑇𝑠) 𝑡𝑜 𝑒

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ARRHENIUS | Ecuación

𝐴𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑔𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠

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ARRHENIUS | Gráfico

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TRATADO

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MICROBIOLOGÍA PREDICTIVA

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MODELO CINÉTICO Modelo de Crecimiento

Modelo de Inactivación y Muerte

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USO DEL SOFTWARE

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USO DEL SOFTWARE

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SOFTWARE PREDICTIVOS MICROBIÓLOGIA PREDICTIVA «La

empresa ABC, desea exportar mangos en rodajas a EUROPA, y sus compradores requieren información de : medio de conservación, tiempo de vida útil, empaque, solución conservantes, etc. Considerando que ya cuentas con los empaques adecuados, y que el medio de conservación será refrigeración 2°C, sin embargo no puedes asegurar en base a la temperatura cuánto será la vida útil de producto?. Solicitas cotización a una empresa consultora para que te realice la determinación de la vida útil y la consultora responde : Tiempo de estudio : 02 semanas Costo : USD. 1,200 + Impuestos Suponiendo que tus posibles compradores requieran rápida respuesta y que la misma sea de garantía . ¿Cómo procederías a corresponder a los requerimientos si no dispones de mucho tiempo, capital y recurso humano?

»

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SOFTWARE PREDICTIVOS MICROBIÓLOGIA PREDICTIVA

DESARROLLAREMOS EL CASO A COSTO CERO(0) Y EN SOLO 5 MIN.

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SOFTWARE PREDICTIVOS

Los valores físico químicos de la Rodajas del Mango son : pH = 4.6 – 5.15 (se trabajará con 4.6) Aw = 0.997 Temperatura : 2°C Valores parámetros : n = 3 (# de unidades de muestra) Estado inicial :2.0 e-3 Total # de UFC inicial : 0.0996 /g a la

hora =0

e=2,7182818284590452353602874713527 . . .

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SOFTWARE PREDICTIVOS MICROBIÓLOGIA PREDICTIVA PARA PODER COMPARAR VAMOS A TRABAJAR CON LA VARIABLE TEMPERATURA Y ASÍ DETERMINAREMOS EL TIEMPO DE VIDA COMERCIAL DE NUESTRO PRODUCTO MANGO

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Para temperatura : 2

C

Días = 124.843/24 = 5.20

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SOFTWARE PREDICTIVOS MICROBIÓLOGIA PREDICTIVA Gráfico :::

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Panel de Control :::

C

Días = 0 días © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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SOFTWARE PREDICTIVOS MICROBIÓLOGIA PREDICTIVA Resumen

T°C

Horas

# días v/s Temperatura (°C)

Días 7.00

1

157.275

6.553125 6.00

2

124.843

5.20179167

3

99.759

4.156625

4.00

5

64.98

2.7075

3.00

10

24.993

1.041375

2.00

15

11.348

0.47283333

1.00

20

6.083

0.25345833

40

2.642

0.11008333

5.00

0.00 0

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10

20

30

40

50

Días

58

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PERMEABILIDAD EFECTO TEMPERATURA

El efecto de permeabilidad con la temperatura sigue la ley de arrhenius y se calcula con la siguiente expresión 𝐵 = 𝐵𝑜 𝑒

𝐵=

;

𝐸𝑎 𝑅𝑇

Si un valor de permeabilidad Bo es dado una temperatura To y T es la temperatura a la cual se busca la permeabilidad.

𝐸𝑎 1 1 ; 𝑅 ∗[𝑇1;𝑇𝑜] 𝐵𝑜 𝑒

Donde Ea es la energía e activación, R es la constante de los gases (1.986 cal/mol), Bo es la permeabilidad a la temperatura To y T es la temperatura a la cual se busca la permeabilidad.

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PERMEABILIDAD EFECTO TEMPERATURA

Determinar la permeabilidad de los materiales multicapas, el efecto de la temperatura y la influencia de la permeabilidad en la vida media de un alimento. Para calcular la permeabilidad al 𝑂2 de la siguiente estructura multicapa, se dispone de la siguiente información. Polímero

Espesor (µm)

Bi a 25°C

Ea (Kcal/mol)

Capa 1 LDPE

18

1900

10.2

Capa 2 Nylon

10

25

10.5

Capa 3 PP

20

620

11.5

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PERMEABILIDAD EFECTO TEMPERATURA Polímero

Espesor (um)

Bi a 25°C

Ea (Kcal/mol)

Capa 1 LDPE

18

1900

10.2

Capa 2 Nylon

10

25

10.5

Capa 3 PP

20

620

11.5

Las unidades de Bi se expresan en cc-µm/𝑚2 − 𝑑 − 𝐾𝑝𝑎

El espesor total vendrá dado por : ∆𝑥𝑡 =18+10+20=48 µm ∆𝑥𝑡 =

18 1900

+

10 25

+

20 620

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=

0.4417 𝑚2∗𝑑∗𝐾𝑝𝑎 𝑐𝑐 67

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PERMEABILIDAD EFECTO TEMPERATURA Polímero

Espesor (um)

Bi a 25°C

Ea (Kcal/mol)

Capa 1 LDPE

18

1900

10.2

Capa 2 Nylon

10

25

10.5

Capa 3 PP

20

620

11.5

Las unidades de Bi se expresan en cc-µm/𝑚2 − 𝑑 − 𝐾𝑝𝑎

El espesor total vendrá dado por : 48 𝑐𝑐 ∗ 𝑚 𝐵𝑇 = = 109 0.4417 𝑚2 ∗ 𝑑 ∗ 𝐾𝑝𝑎

Para determinar la permeabilidad del material a 40°C © Derechos Reservados EQS Grupo ®

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PERMEABILIDAD EFECTO TEMPERATURA Con la energía de activación se permeabilidad de cada material a 40°C 𝐵=

Para el LPDE

𝐵40 =

calcula

la

𝐸𝑎 1 1 ; ∗[ ; ] 𝐵𝑜 𝑒 𝑅 𝑇1 𝑇𝑜

10300 1 1 ; 1.982 ∗[313; 298] 1900𝑒

𝐵40 = 4382

Hacemos lo mismo para 40°C para los materiales Nylon 6 y el PP. Los valores obtenidos son 58.5 y 1576 respectivamente Finalmente la permeabilidad total se obtendrá reemplazando 𝐵𝑖 = 255.6 𝑐𝑐 − µ

𝐵40

𝑚 ∗ 𝑑 ∗ 𝐾𝑝𝑎) 𝑚2

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